Alerta sísmica temprana: Cambios en la Gravedad se adelantan a las señales sísmicas

Por Jean Paul Ampuero Ph.D., Laboratorio sismológico de Caltech; Universidad Côte d’Azur, IRD, Géoazur

Click Here for English Version

El devastador terremoto de Tohoku en 2011 y el posterior tsunami causaron daños valorados en miles de millones de dólares y la muerte de miles de personas. Un nuevo estudio, utilizando datos generados por este terremoto, sugiere que los pequeños cambios en la gravedad generan las primeras señales emitidas por un evento que pueden ser utilizadas en los sistemas de alerta temprana. Foto por: SFDEM

 

Esta historia comienza hace unos años, cuando astrofísicos en busca de ondas gravitacionales del universo distante se cruzaron con sismólogos deseosos de nuevas pistas sobre el funcionamiento de los terremotos bajo nuestros pies. El ruido de unos pronto se convirtió en la señal de otros, de hecho, una señal muy singular: el primer precursor del impacto de un terremoto que la naturaleza y la física nos ofrecen.

Los terremotos mueven enormes cantidades de masa (material o roca). Esto es obvio para cualquiera que haya quedado cautivado al observar los deslizamientos de fallas de varios metros que quedan en la superficie de la Tierra después de un gran terremoto. Pero la masa también se redistribuye temporalmente por las ondas sísmicas, incluso antes de que termine el terremoto. Por ejemplo, las ondas P comprimen y dilatan la roca por la que viajan, perturbando momentáneamente su densidad. Estas perturbaciones estáticas y dinámicas del medio son fuentes naturales que generan cambios en la gravedad … ¡y los cambios en la gravedad viajan de forma remota a la velocidad de la luz!

Los sistemas de alerta sísmica temprana tienen como objetivo alertar a las personas y a los sistemas automatizados segundos antes de que llegue una sacudida fuerte. Esta es una de las contribuciones importantes de la sismología moderna a la sociedad. Pero los sistemas actuales de alerta sísmica temprana tienen una limitación fundamental: el portador de la información natural del que dependen, es decir, el grupo de ondas P, viaja sólo el doble de rápido que el portador de daños naturales que intentan anticipar, es decir, el grupo de ondas S. Al igual que un rayo nos advierte del trueno inminente, los cambios de gravedad, que se transmiten a la velocidad de la luz, son en principio el portador más rápido de la información sísmica.

Nuestro equipo, una combinación de físicos y sismólogos de EE.UU. y Europa, utilizó lápiz, papel y supercomputadoras para hacer una primera estimación teórica de cuán grandes podrían ser estas primeras señales (Harms et al, 2015). Los resultados parecían “prometedores”: observar el fenómeno con la instrumentación actual prometía ser un buen desafío. Nuestra mejor apuesta fue buscar los registros del gran terremoto de Tohoku, Japón, del 2011, en un gravímetro superconductor instalado en un sitio subterráneo silencioso, a 500 km del epicentro, y en las estaciones sísmicas de banda ancha cercanas. Un análisis estadístico ciego de los datos (del tipo de análisis al que están acostumbrados nuestros colegas astrofísicos de ondas gravitacionales) reveló evidencia de una señal anterior a las ondas P (Montagner et al, 2016). Pero no fue la prueba contundente que uno hubiese deseado. Además, mi colega de Caltech, el Profesor Tom Heaton, señaló (Heaton, 2017) que nuestra teoría no tomaba en cuenta un efecto potencialmente importante de acoplamiento entre los cambios gravimétricos y la deformación elástica, el cual describo a continuación.

La prueba contundente y una teoría más completa de las señales elasto-gravitacionales tempranas inducidas por terremotos están finalmente descritas en nuestro artículo publicado esta semana en la revista Science (Vallée et al, 2017). Descubrimos que los sismómetros de banda ancha en China, ubicados a distancias de entre 1.000 y 2.000 km del epicentro, registraron de manera consistente y con una alta relación señal / ruido, una señal emergente que precedió a la llegada de las ondas P del terremoto de Tohoku en más de un minuto. Estas señales son consistentes con los resultados obtenidos mediante un nuevo método de simulación que desarrollamos para tomar en cuenta el siguiente proceso físico. Las perturbaciones en la gravedad, inducidas directamente por la ocurrencia de terremotos (perturbaciones estudiadas por Harms et al, 2015) también actúan como fuerzas distribuidas que deforman la corteza y producen la aceleración del suelo. Los gravímetros y los sismómetros son sensores inerciales acoplados al suelo. Estos instrumentos registran la diferencia entre la aceleración gravitacional y la aceleración del suelo. A veces, estas dos aceleraciones presentan amplitudes similares y tienden a cancelarse entre sí, por lo tanto, es importante incluir ambas en las simulaciones.

Esta figura, tomada y editada de IPGP, 2017, muestra la señal captada por un sismómetro antes y después de la ocurrencia del Terremoto de Tohoku, M=9.1 en el 2011. Lo que se debe resaltar en esta figura, es que después de los primeros 45 a 60 segundos desde el inicio del sismo la amplitud de la señal elasto-gravitacional (verde) excede la del ruido sísmico de fondo (rojo), hasta que llega la onda P (negro). Esto representa el posible tiempo de alerta temprana del terremoto. (Figura de Vallée et al., 2017)

 

¿Cómo podemos usar estos resultados para mejorar los sistemas actuales de alerta sísmica temprana? Las señales elasto-gravitacionales transmiten información sobre el tamaño del terremoto, pero son débiles y no tienen un inicio impulsivo o marcado. Tuvimos que usar estaciones sísmicas muy distantes y esperar más de un minuto después del inicio del mega terremoto de Tohoku para poder ver sus señales elasto-gravitacionales en los sismómetros convencionales. Esto parece una espera demasiado larga para un sistema de alerta temprana, pero es suficiente para acelerar significativamente los sistemas actuales de alerta de tsunami. De hecho, nuestras simulaciones muestran que las estaciones sísmicas en China podrían distinguir los terremotos que ocurren en Japón con magnitudes Mw

Para poder desarrollar todo el potencial de las señales de elasto-gravedad en los sistemas de alerta sísmica temprana (y fundamentalmente para estudios de fuente de terremotos) necesitamos desarrollar instrumentos nuevos y más sensibles. Podemos aprovechar los avances tecnológicos en gradiometría de gravedad para la detección de ondas gravitacionales de baja frecuencia. Las detecciones de ondas gravitacionales que condujeron al reciente premio Nobel se lograron a frecuencias de aproximadamente 100 Hz y requirieron enormes instalaciones, pero la comunidad astronómica de ondas gravitacionales también está interesada en observar estas señales en la banda de 0.1-1 Hz utilizando instrumentación más pequeña y liviana. Los requisitos para desarrollar instrumentación con fines de alerta temprana son mucho menos estrictos que los necesarios para la detección de ondas gravitacionales y deberían lograrse mucho antes.

Mi aventura personal en este nuevo campo de la sismología gravitacional comenzó con una charla académica con Jan Harms (que era entonces un postdoctorante de LIGO), en el laboratorio de sismología de Caltech y continuó poco después con mis viejos amigos de IPG París. Ha sido maravilloso experimentar de primera mano que la investigación en alerta sísmica temprana no se trata únicamente de aspectos operacionales y de ingeniería, sino también de problemas fundamentales de física. También me parece emocionante que la revolución en curso de la astronomía de ondas gravitacionales no sólo abre nuevas ventanas hacia el Universo distante sino también hacia nuestra vulnerable Tierra.

 

Referencias

J. Harms, J. P. Ampuero, M. Barsuglia, E. Chassande-Mottin, J.-P. Montagner, S. N. Somala and B. F. Whiting (2015), Transient gravity perturbations induced by earthquake rupture, Geophys. J. Int., 201 (3), 1416-1425, doi: 10.1093/gji/ggv090

T. H. Heaton (2017), Correspondence: Response of a gravimeter to an instantaneous step in gravity, Nature Comm., 8 (1), 966, doi: 10.1038/s41467-017-01348-z

J.-P. Montagner, K. Juhel, M. Barsuglia, J. P. Ampuero, E. Chassande-Mottin, J. Harms, B. Whiting, P. Bernard, E. Clévédé, P. Lognonné (2016), Prompt gravity signal induced by the 2011 Tohoku-oki earthquake, Nat. Comm., 7, 13349, doi: 10.1038/ncomms13349

M. Vallée, J. P. Ampuero, K. Juhel, P. Bernard, J.-P. Montagner, M. Barsuglia (December 1st 2017), Observations and modeling of the elastogravity signals preceding direct seismic waves, Science, doi: 10.1126/science.aao0746