GENMAPS: HERRAMIENTA PARA EL CÁLCULO DE MAPAS NACIONALES DE INTENSIDADES SÍSMICAS EN TIEMPO REAL Leonardo Alcántara N. (3), Danny Arroyo E. (2), M. del Rosario Delgado D. (3), Mario Ordaz S. (1), Citlali Pérez Y. (3), Arturo Quiroz R. (3), Ana L. Ruiz G. (3) y Héctor Sandoval G. (3)
RESUMEN Como parte de los productos generados por el sistema de información de la Red Sísmica Mexicana (RSM) se diseñó la aplicación de cómputo llamada GENMAPS. La finalidad de dicho programa es la generación de mapas nacionales de intensidades sísmicas en tiempo real. Dichos mapas hacen posible que las instancias gubernamentales cuenten con un panorama general de la severidad del movimiento sísmico poco tiempo después de ocurrido un evento, y evalúen la necesidad de ejecutar planes de respuesta y auxilio a la población de manera oportuna. La herramienta GENMAPS ha estado en funcionamiento poco más de un año con resultados satisfactorios. En el presente trabajo se describe en forma general las bases del funcionamiento de GENMAPS y se presentan algunos resultados obtenidos. ABSTRACT
As a part of the Mexican Seismic Network Project (RSM) we developed the GENMAPS Application. Such application is used to generate real time national shakemaps. Those maps provide to users an overview of the effects of the strong ground motion only few minutes after the occurrence of a given seismic event. Such information is useful for government dependencies to assess if an emergency response is needed. The application has been working for about one year, during this time satisfactory results have been obtained. In this paper we describe the basis of the methodology applied in GenMaps and we present some results obtained with the application. INTRODUCCIÓN Los sistemas de protección civil tienen la necesidad de contar con metodologías y herramientas que permitan evaluar el efecto de eventos sísmicos intensos, y decidir rápidamente las acciones a seguir en un plan de respuesta para asistencia a la población. Las redes de registro sísmico en tiempo real, aunque cuentan con una historia relativamente corta, se presentan como una buena opción para satisfacer la necesidad anteriormente planteada. La primera red de monitoreo formal fue instalada en Manila, Filipinas a lo largo de un periodo que abarcó los años de 1881 a 1889, utilizando sismoscopios y sismógrafos. A partir de este primer intento, las redes de monitoreo fueron creciendo hasta nuestros días y se ha llegado a instalaciones tan grandes como las encontradas en Japón, considerada la red de monitoreo más densamente instalada (un total de 4238 aparatos para una superficie de 375,000km2), y la Red Nacional del USGS en los Estados Unidos cuenta con una capacidad instalada de más de 7000 aparatos de registro.
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1. Coordinación de Ingeniería Sismológica, Instituto de Ingeniería, UNAM, Coyoacán 04510, México, DF, e-mail:
[email protected] 2. Grupo de Desarrollo Tecnológico y Sustentabilidad en Ingeniería Civil, Universidad Autónoma Metropolitana – Azcapotzalco, Av. San Pablo 180, Col. Reynosa-Tamaulipas, Azcapotzalco 02200, México, DF, e-mail:
[email protected] 3. Coordinación de Sismología y Monitoreo Sísmico, Instituto de Ingeniería, UNAM, Coyoacán 04510, México, DF, e-mail:
[email protected],
[email protected]
XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica
Aguascalientes, Aguascalientes, 2011
La capacidad de monitoreo instalada en la República Mexicana es de aproximadamente 300 estaciones, operadas entre diversas instituciones de investigación. El Instituto de Ingeniería cuenta con 110 estaciones, de las cuales aproximadamente el 60% se encuentra instalada en la zona de subducción, la cual se localiza en la costa del Pacífico Mexicano, abarcando los estados desde Nayarit hasta Chiapas. El proyecto de la Red Sísmica Mexicana se ha desarrollado por cerca de dos años y consiste en un sistema de monitoreo en tiempo real desde diversas estaciones, las cuales son operadas por varias instituciones de investigación en el país, recibiendo el conjunto de señales en el Puesto Central de Registro (PCR) localizado en el Instituto de Ingeniería de la UNAM. En la etapa actual y con el fin de evaluar el funcionamiento del sistema en tiempo real, de las 110 estaciones que maneja el Instituto de Ingeniería, 22 se encuentran funcionando bajo un protocolo de comunicación permanente TCP/IP para la generación de mapas de intensidades espectrales de eventos que ocurren diariamente. Cabe mencionar que el objetivo principal del artículo es dar a conocer la aplicación desarrollada, así como describir en forma general su funcionamiento sin proporcionar discusiones detalladas sobre los modelos matemáticos y consideraciones sismológicas involucradas en el cálculo de los mapas. ADQUISICIÓN DE DATOS EN TIEMPO REAL La recuperación de las señales sísmicas de las estaciones acelerográficas se realiza a través del sistema de adquisición de datos y procesamiento sísmico Earthworm, desarrollado originalmente por el Servicio Geológico de los Estados Unidos bajo la filosofía de software de código abierto (ISTI, INC., 2011). El sistema Earthworm se ha implementado para generar eventos por disparo (trigger) bajo un mismo esquema de almacenamiento en formato Seisan. Estos eventos son evaluados por el sistema GenMaps, y en su caso, se producen un conjunto de archivos de naturaleza diversa con información tanto gráfica como numérica del evento registrado. Para la elaboración de este tipo de mapas, se consideran solamente las estaciones acelerográficas que se ubican en roca (fig. 1) y las componentes horizontales de los registros cuya aceleración máxima sobrepase un valor predeterminado.
Figura 1. Red de estaciones acelerográficas utilizadas para la generación del mapa
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Generación de eventos por disparo Para su funcionamiento en tiempo real, el sistema GENMAPS se alimenta de señales provenientes de estaciones acelerográficas remotas. En este sentido, la filosofía estriba en la generación de eventos por disparo (trigger) en base a un algoritmo STA/LTA (Johnson et al., 1995), el cual calcula de forma continua los promedios de las lecturas en cada estación con 4 criterios diferentes para estimar si existe un evento de disparo. Adicionalmente este sistema involucra una lógica por subredes, lo que flexibiliza la configuración para garantizar la adquisición del registro, la identificación de la región y el nivel de intensidad del evento. De ahí que, las subredes se configuran con estaciones que forman parte de dos o tres subredes tal que, si una estación de ruido bajo se incluye en una subred más de una vez, tendrá una influencia mayor en la generación de un disparo y por el contrario, si el ruido es común en varias estaciones, es conveniente tratar de separarlas entre las distintas subredes para que la probabilidad de disparo por picos de naturaleza extraña sea menor. Con base en su ubicación geográfica y al comportamiento observado, el total de las estaciones que operan en tiempo real se han agrupado en tres subredes, la red Oeste, la red Guerrero y la red Sur. Adicionalmente otro grupo de estaciones, principalmente las que se ubican al centro del país, ha sido designado comodín, y sus señales se incluyen en el archivo almacenado sin importar qué subred genera el disparo. La figura 2 muestra la distribución de estaciones por subredes. Cabe mencionar que el sistema se ha configurado para que en caso de presentarse un sismo cuyo nivel de intensidad sea detectado por dos o más subredes, el archivo generado incluirá todas las estaciones.
Figura2. Distribución de estaciones por subredes para generación de eventos por disparo.
GENMAPS El procedimiento de generación contenido en GENMAPS se divide en cuatro etapas, como se muestra en la figura 3. En la primera etapa los registros recibidos son sometidos a un proceso de corrección de línea base y aquellos que pudieran tener errores son eliminados. En la segunda etapa, con los acelerogramas corregidos, se estima de forma aproximada la magnitud y localización del evento sísmico con base en el análisis de los espectros de amplitudes de Fourier para dos intervalos de frecuencias. En la tercera etapa mediante un esquema de interpolación denominado como kriging Bayesiano (Kitanidis, 1986) y utilizando modelos de atenuación para la república mexicana, se estima la aceleración registrada en diferentes localizaciones geográficas. Finalmente, en la cuarta etapa se generan los mapas de intensidades espectrales y se inicia el proceso de distribución del reporte y del mapa de aceleración a nivel nacional.
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Procesamiento inicial
Estimación simplificada de magnitud y localización del evento
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Esquema de interpolación
Generación del reporte y del mapa
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Figura 3. Procedimiento desarrollado para la generación del reporte y del mapa de aceleración
En las siguientes secciones se describirá en forma simplificada cada una de las cuatro etapas mostradas en la figura 3. Etapa 1. Procesamiento inicial En esta etapa los acelerogramas recibidos son corregidos por línea base, se selecciona la componente horizontal con la máxima aceleración del terreno y se eliminan los registros que pudieran contener datos erróneos conforme a los siguientes criterios. 1) En temblores de pequeña magnitud y en estaciones alejadas del foco del evento sísmico, se vuelve complicado separar la señal sísmica del ruido ambiental existente en el sitio; por lo que, se definió un valor de aceleración mínimo para el cual el acelerograma sea procesado. Este valor de aceleración, después de calibraciones realizadas se definió en 2 gals, aunque puede ser elegido por el usuario.
Figura 4. Ejemplo de registro que presenta contaminación debida al ruido ambiental.
2) Algunas señales presentan saltos bruscos debido a fallas en los aparatos de registro y/o huecos de información (“glitcthes”) durante la transmisión de datos al PCR. Para tratar de eliminar este tipo de problemas, durante el proceso se descartan los registros en los que el máximo absoluto del acelerograma sea mayor a 4 veces el máximo observado en dirección contraria al máximo absoluto (ver figura 5).
Máximo positivo
Máximo negativo
Figura 5. Ejemplo de registro que presenta relación entre máximos excesiva.
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Etapa 2. Estimación aproximada de magnitud y localización Normalmente, el cálculo de la magnitud y de la localización del foco de un evento sísmico se realiza mediante un proceso de inversión utilizando datos telesísmicos o regionales. Aunque algunos países cuentan con procedimientos de inversión automatizados (Wald et al. 2006) nuestro país no cuenta actualmente con procedimientos automatizados, por lo que se decidió estimar en forma aproximada una medida de la magnitud del evento así como y su localización geográfica. El método está inspirado en el trabajo de Kanamori (1993) quien a partir de aceleraciones máximas observadas y un modelo de atenuación mostró que es posible estimar la ubicación del epicentro de un evento sísmico. Kanamori observó que, ajustando el modelo de atenuación con la magnitud y la localización como parámetros libres a los datos observados es posible determinar, de manera aproximada, la ubicación del epicentro. Además, observó que en este contexto el valor de la magnitud debería verse como una constante de escala y por lo tanto no necesariamente debería corresponder al valor de la magnitud real del evento. Con base en las observaciones de Kanamori, se propuso estimar la magnitud y la localización del epicentro conforme a lo siguiente: Con la magnitud y ubicación del epicentro como parámetros libres se ajustó un espectro de Fourier teórico de fuente puntual (modelo 2) a los espectros de Fourier de los acelerogramas registrados. Este ajuste se realiza en dos fases: En la primera fase, se estima el valor de la magnitud ajustando el modelo teórico a las observaciones en un intervalo de frecuencias entre 0.05 y 5.00 Hz. En la segunda fase se ajusta nuevamente el modelo teórico a los datos, ahora para un intervalo de frecuencias entre 5.00 y 40.00 Hz para determinar la ubicación del epicentro. A diferencia del procedimiento propuesto por Kanamori, con el método utilizado en el presente trabajo es posible tener estimaciones de la magnitud, la cual se relaciona principalmente con el intervalo de frecuencias bajas de los espectros de Fourier registrados, mientras que la posición del epicentro es una función principalmente de frecuencias altas. Como parámetros del espectro teórico se utilizaron los datos reportados en Singh et al. (1989) para la zona de subducción mexicana con un parámetro de esfuerzo () de 150 bar. Etapa 3. Esquema de interpolación Dado que el número de estaciones de la RSM es limitado para obtener el mapa de intensidades espectrales, se requiere estimar el valor de la aceleración máxima del terreno en otros sitios con base en los valores observados en las estaciones consideradas, el valor de la magnitud y la localización del epicentro calculadas en la Etapa 2. Nótese que el número de puntos de la malla de interpolación es mucho mayor que el número de estaciones disponibles y que la distribución de las estaciones no es uniforme respecto a los puntos de la malla de interpolación (figura 6). Por lo tanto, el problema de interpolación se vuelve complicado debido a lo limitado de los datos observados. En algunas aplicaciones realizadas en las etapas de prueba se contaba en ocasiones con sólo 3 estaciones que proporcionaban datos confiables. Como esquema de interpolación se utilizó la técnica conocida como kriging Bayesiano propuesta por Kitanidis (1986). Dicho procedimiento fue adaptado para la aplicación aquí presentada. Mediante esta técnica es posible estabilizar la interpolación mediante información previa. En particular, se requiere definir una función “drift” (la cual guía a la interpolación) y una estructura de covarianza entre las intensidades en los diferentes sitios de la malla de interpolación. La primera parte de la estructura de la función “drift” utiliza al modelo de atenuación propuesto por Arroyo et al. (2010) para eventos sísmicos interplaca de subducción, y para los eventos intraplaca se considera el modelo de atenuación de García (2005). Para el esquema de covarianza entre las observaciones para diferentes localizaciones geográficas se utilizó un variograma exponencial isótropo, cuyos parámetros se ajustaron a datos registrados durante diversos eventos sísmicos.
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TEPI PUVA XALA PHPU OZST THEZ CALE UNIO HMTT PET2 ATYC OXBJ OXLC ACAR ACP2 VIGA
20
COMA URUA MANZ
MIHL VHSA
SCRU PANG
TGBT PIJI
15 -115
-110
-105
-100
-95
-90
Figura 6. Los círculos rojos los sitios en los que se estima el valor de las demandas espectrales del terreno.
Cabe aclarar que el esquema de interpolación es exacto, esto quiere decir que para un punto de la malla que coincida con una estación el método de interpolación conduce al valor observado en la estación y que los contornos de aceleración obtenidos no son necesariamente circulares. En otras palabras, cuando se estima un valor de intensidad en una locación con alta densidad de estaciones, la estructura de interpolación es dominada por los valores medidos de la intensidad. En cambio, para calcular un valor alejado de estaciones de registro, el peso de la interpolación depende mayormente de la estimación obtenida con el modelo de atenuación aplicado según sea un evento interface o intra-placa. Etapa 4. Generación del mapa Finalmente, con los datos calculados para la malla de interpolación se dibujan los mapas de intensidades. El programa genera archivos en formato jpeg, Shape, txt y reportes igualmente en formato texto, como se muestra en las figura 7.
a)
b) Figura 7. Ejemplo de mapa de intensidad en formato JPEG y reporte en formato texto.
EJEMPLOS SISMOS HISTÓRICOS Para evaluar el procedimiento desarrollado se generaron mapas de intensidades para diferentes eventos históricos. Los eventos que se consideraron son: 19 de septiembre de 1985, 25 de abril de 1989 y 15 de junio de 1989 y parte de sus resultados se presentan en las figuras 7 a 10. En la figura 6a puede observarse el mapa de aceleraciones máximas obtenido para el evento del 19 de septiembre de 1985, donde se aprecia cómo la distribución de aceleraciones máximas superiores a 100gals cubren aproximadamente el doble del área de ruptura observada por Chávez – García et al. (1994).
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a)
b) Figura 8. a) Mapa de PGA b) Mapa de SA (T=2s). Evento del 19 de septiembre de 1985 (Mw=8.1).
En la figura 8b se presenta el mapa de SA como parámetro de intensidad, con un valor de periodo T igual a 2 segundos, donde valores de superiores a 50gals abarcan una superficie con un radio superior a los 250 km.
a)
b) Figura 9. a) Mapa de PGA b) Mapa de SA (T=2s). Evento del 25 de abril de 1989(Mw=6.9).
En las figuras 9a y 9b se presentan los mapas de PGA y SA (T=2s) para el evento del 25 de abril de 1989, el cual se generó en la costa de Guerrero con Mw= 6.9. Dicho evento es de interés debido a la intensidad presentada en la Ciudad de México. Para este caso se obtuvo un error de aproximadamente 17km en promedio respecto de los valores de localización reportados por el SSN. Igualmente se aprecia en el mapa de PGA una tendencia de valores de intensidad superiores a los 33gals en la región suroeste de Puebla, misma observación hecha para otros valores de intensidad (SA) para otros periodos considerados en la generación de estos mapas.
a)
b) Figura 10. a) Mapa de PGA b) Mapa de SA (T=2s). Evento del 15 de junio de 1999(Mw=6.7).
En la figuras 10a y 10b se muestran los mapas de intensidades para el evento generado en Tehuacán en el estado de Puebla, siendo este de gran interés por la cantidad de datos recolectados de las distintas estaciones de registro instaladas, además de los daños causados principalmente a las estructuras de carácter histórico en la ciudad de Puebla. En la figura 10a se aprecia una concordancia aceptable en función del mapa de isointensidades presentado por Singh et al. (1999).
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Otro ejemplo se presenta en las figuras 11 y 12, correspondientes a mapas de PGA y SA (T=0.5s). Dicho evento corresponde al 19 de abril de 2007, el cual se generó con una magnitud Mw de 5.4 en las cercanías de Atoyac de Álvarez, en el estado de Guerrero.
Figura 11. Mapa de PGA para el evento del 19 de abril de 2007 (Mw 5.4).
Como es posible observar en ambas figuras, las curvas de igual intensidad no siguen un patrón circular como el observado en los mapas generados por el USGS para los eventos generados en territorio mexicano. Esto es debido a que para la generación de aquellos productos, se recurre solamente a modelos de atenuación y no se consideran las intensidades verdaderamente registradas.
Figura 12. Mapa de SA con T=0.5s para el evento del 19 de abril de 2007 (Mw 5.4).
EJEMPLOS EN TIEMPO REAL A continuación se presentan un conjunto de resultados obtenidos en tiempo real de eventos ocurridos en el transcurso del presente año (ver figura 14): 25 de febrero de 2011 y 5 de mayo de 2011. Estos mapas fueron obtenidos con una escala de color diferente, con el fin de presentar de forma más detallada la distribución de intensidades espectrales. En la figura 14a se observa el mapa de PGA generado en tiempo real del evento del 25 de febrero de 2011, el cuál se originó entre los estados de Oaxaca y Veracruz, a una profundidad de aproximadamente130km y con una Mw de 6.0. Se observa que los valores de máximos de PGA son de 30 a 40gals, mientras que en la figura 4b se aprecia una concordancia en los valores de SA (T=2s) los cuales se ubican entre 1 y 30gals, siendo ambos casos coherentes con los valores de un evento con las características de un evento generado a profundidades mayores a 45km.
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a)
c)
b)
d) Figura 14. a) PGA b) SA (T=2s), evento 25 de febrero de 2011. c) PGA d) SA (T=2s), evento 5 de mayo de 2011.
En las figuras 14 c y 14d se aprecian los mapas resultantes para PGA y SA (T=2) del evento del día 5 de mayo de 2011. Este evento se generó en la costa de Guerrero a una profundidad de 30km y con una Mw de 5.7. De la misma forma se observó una correcta consistencia de los valores de intensidad observados.
CONCLUSIONES De las observaciones mostradas en este trabajo, es posible afirmar que los productos generados cuentan con una precisión adecuada en su etapa actual y dada la calidad de la información disponible, es posible mostrar un panorama general del nivel de intensidad del evento sísmico a lo largo del territorio mexicano. Sin embargo, a pesar de lo alentadores que son estos resultados, es necesario reconocer que existe una dependencia importante por parte de GENMAPS, en el número y distribución de las observaciones recibidas en tiempo real. Cuán mayor sea el número de estaciones y su distribución sea adecuada, los resultados de GENMAPS serán mucho más precisos desde las estimaciones preliminares. A partir de los resultados presentados y la necesidad de contar con una mejora continua de GENMAPS, es importante extender una invitación a nivel nacional para las instituciones que operan redes de monitoreo sísmico a unirse a este proyecto por medio de la instalación de comunicación en tiempo real de sus estaciones haciendo viable la captación de sus señales por el PCR del Instituto de Ingeniería de la UNAM. Lo anterior permitirá afinar los productos generados con del aumento en el número de estaciones que aportarían sus datos para ser procesados, mejorar los protocolos de calibración de GENMAPS y por supuesto extender la superficie operativa de GENMAPS al total del territorio nacional conforme avance el programa de la RSM.
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AGRADECIMIENTOS Se agradece el apoyo de los ingenieros David Almora, Miguel Torres, Ricardo Vázquez, Alejandro Mora, Luis Alberto Aguilar e Israel Molina en las pruebas para la calibración de datos, así como a Gerardo Castro, Mauricio Ayala, Juan Manuel Velasco, Jesús Ylizaliturri y Eduardo Vázquez, por la operación y mantenimiento a las estaciones. Se agradece el apoyo de la coordinación de cómputo por las actividades relacionadas con la configuración de permisos y seguridad de la red del Instituto de Ingeniería.
REFERENCIAS Arroyo, D., Garcia, D., Ordaz, M., Mora, A. y Singh, S.K., (2010), “Strong ground-motion relations for Mexican interplate earthquakes”, Journal of Seismology, DOI 10.1007/s10950-010-9200-0. García, D., (2001) “Atenuación sísmica. Aplicación a terremotos intraplaca en México Central”, Tesis para obtener el grado de doctor en ingeniería, Programa de Doctorado en Geodesia, Geofísica y Meteorología, Universidad Complutense de Madrid. ISTI, Inc., (2009), “Earthworm Documentation” ; Programa de adquisición y manejo de datos sísmicos en tiempo real, Manual de usuario y de referencia, Instrumental Software Technologies, Inc.; http://folkworm.ceri.memphis.edu/ew-doc/#autoew Johnson, C.E., Bittenbinder, A., Bogaert, B., Dietz, L. y Kohler, W., (1995), “Earthworm: A flexible approach to seismic network processing”, IRIS Newsletter 14(2), 1-4. Kanamori, H., (1993), “Locating earthquakes with amplitude: application to real-time seismology”, Bulletin of the Seismological Society of America, 83(1), 264-268. Kitanidis, P., (1986), “Parameter uncertainty in estimation of spatial functions: Bayesian analysis”, Water Resources Research, 22(4), 499-507. Ruiz, A.L., (2010), “ASA2Sei”, Programa desarrollado en el Laboratorio de Proceso de la Coordinación de Sismología e Instrumentación Sísmica, Instituto de Ingeniería, UNAM. Singh, S. K., Ordaz, M., Anderson, J. G., Rodríguez, M., Quaas, R., Mena, E., Ottaviani, M. y Almora, D., (1989), “Analysis of near-source strong-motion recordings along the Mexican subduction zone”, Bulletin of the Seismological Society of America, 79, 6, 1697-1717. Singh, S. K., Ordaz, M., Pacheco, J.F., Quaas, R., Alcántara, L., Alcocer, S., Gutierrez, C., Meli, R. y Ovando, E., (1999), “A preliminary report on the Tehuacán, México Earthquake of June 15, 1999”, Seismological Research Letters, Vol. 70, No. 5, septiembre – octubre. Wald, D. J., Worden B. C., Quitoriano, V. y Pankow, K. L., (2006), “ShakeMap: Technical Manual, User guide and software guide”, USGS.
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