Una aproximación a la regionalización sísmica del estado de Nuevo León, basada en velocidades de propagación de ondas de corte y evidencias geología

An approximation to the seismic regionalization in the state of Nuevo León, based on the propagation velocities of cutting waves and geological evidence

Juan Carlos Montalvo Arrieta^1,*, Luis Gerardo Ramos Zúñiga¹, Ignacio Navarro de León¹ y Juan Alonso Ramírez Fernández¹

¹ Facultad de Ciencias de la Tierra, Universidad Autónoma de Nuevo León, Carretera a Cerro Prieto km 8, Ex–Hacienda de Guadalupe, 67000 Linares, Nuevo León.*montalvo@fct.uanl.mx.

Resumen

En este artículo se presenta el primer mapa de la regionalización sísmica del Estado de Nuevo León, escala 1:250000. Éste fue elaborado usando información geológica y datos de velocidad de propagación de ondas P y S. Para la obtención de las velocidades de propagación de ondas se utilizó la metodología de refracción sísmica. Se realizaron un total de 708 perfiles sobre diferentes unidades geológicas que afloran y conforman la columna litológica tipo del Estado de Nuevo León. Los afloramientos en donde se realizaron los perfiles sísmicos comprenden rocas sedimentarias, ígneas, metamórficas y depósitos del Cuaternario. La generación del mapa de las condiciones sísmicas de sitio está basada en códigos de efectos de sitio, como propone el National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP, EE.UU.), a partir de la determinación de V_S30 y su correlación con información litológica. El mapa de regionalización por V_S30, reveló los sitios clase A (V_S30 > 1500 m/s), clase B (760 < V_S30 ≤ 1500) y clase C (360 < V_S30 ≤ 760) predominan en el área de estudio. En las regiones caracterizadas por material aluvial muestran valores más bajos de V_S30 (560 m/s), mientras que las rocas más consolidadas como, por ejemplo, las que conforman la secuencia mesozoica, presentan valores altos de propagación de ondas sísmicas (V_S30 = 1200 – 3500 m/s). Los resultados generados en este trabajo proveen de una primera aproximación de la respuesta sísmica de los materiales someros en el estado, cuya aplicación es de importancia en la planeación del uso de suelo, desarrollo urbano, así como para el cálculo del riesgo sísmico u otros peligros geológicos, particularmente para regiones donde existe evidencia histórica de actividad sísmica, pero con escasa o nula instrumentación sísmica.

Palabras clave: Perfiles sísmicos de refracción, V_S30, Noreste de México, efectos sísmicos de sitio, sismicidad intraplaca.

Abstract

This paper presents the first seismic regionalization map for Nuevo Leon state, at a scale of 1:250 000. It was made using geological information and P and S wave propagation velocity data. Seismic refraction methodology was used to obtain the wave velocity propagation. A total of 708 profiles were made on different geologic units that are included in the Nuevo Leon state type–lithological column. Outcrops on which the profiles were carried out include sedimentary, igneous, and metamorphic rocks, and Quaternary deposits. The generation of the seismic site conditions map is based on site effect codes, as proposed by the National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP, U.S.A.), from V_S30 determination and its correlation with lithological information. The regionalization map using V_S30, has revealed that A (V_S30 > 1500 m/s), B (760 < V_S30 ≤ 1500), and C (360 < V_S30 ≤ 760) class sites predominate in the study area. Areas characterized by alluvial material show lower values of V_S30 (560 m/sec), whereas consolidated rocks, for example, those that constitute the Mesozoic sequences, display high seismic wave velocity propagation values (V_S30 = 1200 – 3500 m/s). The results obtained in this work provide a first approximation of the seismic response of shallow materials in the state, whose use is important in the land use planning, urban development and for the calculation of seismic risk and other geological perils, particularly for areas with historical evidence of seismic activity, but with little or no seismic instrumentation.

1. Introducción

Se ha documentado ampliamente que las condiciones geológicas pueden generar amplificaciones importantes del movimiento del suelo y concentrar el daño en estructuras durante terremotos. De manera general, los perjuicios causados por la sacudida del terremoto comúnmente se relacionan con variaciones de los materiales geológicos cercanos a la superficie y, de manera particular, estas grandes amplificaciones del movimiento del terreno se asocian con depósitos sedimentarios recientes y poco consolidados (Tinsley y Fumal, 1985). Históricamente, los principales núcleos de población en todos los países del mundo se han asentado y desarrollado sobre depósitos aluviales del Cuaternario los cuales, de manera general, están expuestos a diferentes tipos de riesgos geológicos (hundimientos/colapsos, inundaciones, grandes sacudidas del terreno, entre otros). Debido a esto, es importante la aplicación de técnicas cartográficas especializadas para identificar y evaluar los riesgos geológicos a los cuales están sujetos estos depósitos aluviales.

En regiones propensas a experimentar sacudidas del terreno, es necesario establecer regionalizaciones y/o microzonificaciones sísmicas, con la finalidad de subdividir áreas con diferente potencial de peligrosidad ante la incidencia de un terremoto, a partir de la definición de sus comportamientos sísmicos característicos. Esta información es de utilidad para el diseño de estructuras, planeación del uso del suelo, códigos sísmicos, así como para estudios de mitigación del riesgo por terremoto.

Los procesos que controlan el efecto sísmico de sitio y que están directamente relacionados con la distribución de daños son: la litología, los espesores y las propiedades elásticas de los suelos y rocas, la profundidad al macizo rocoso, la profundidad del nivel freático, la topografía y la geometría de cuencas o valles aluviales, así como los procesos de directividad y de anisotropía sísmica (Roca et al., 2008). En particular, en áreas de baja sismicidad y ausencia de registros de movimientos fuertes del terreno, una manera de clasificar, evaluar y cartografiar las condiciones sísmicas de sitio es a través de correlaciones entre geología superficial, datos de pozos (litología, espesores, velocidades de propagación de ondas de corte, resistencia a la penetración o valor N) y mediciones de velocidades superficiales de la propagación de ondas de corte. Estas técnicas han sido utilizadas en diferentes zonas urbanas localizadas muy cercanas a límites de placas, como también en el interior de los continentes (Tinsley y Fumal, 1985; Park y Elrick, 1998; Wills y Silva, 1998; Wills et al., 2000; Rodríguez–Marek et al., 2001; Stewart et al., 2003; Wills y Clan, 2006; Hanumantharo y Ramana, 2008; Montalvo–Arrieta et al., 2008).

Aunque la ocurrencia de grandes terremotos intraplaca es relativamente infrecuente, comparada con los sismos asociados a límites de placas, estos eventos ocasionales pueden resultar extremadamente devastadores. Esto se debe a que la mayoría de las ciudades localizadas en el interior de los continentes han sido edificadas sin tomar en cuenta criterios de diseño sísmico. Se ha definido que los grandes sismos al interior de los continentes pueden causar daños en áreas muy extensas, debido a que la atenuación de su energía sísmica es relativamente baja hacia el interior de las placas (Crone et al., 2003). Stein (2007) mencionó que la sacudida del terreno provocada por sismos intraplaca (por ejemplo, zona sísmica de Nuevo Madrid, centro de EE.UU.), es comparable con aquélla de los sismos que se originan en límites de placa (California) con una unidad de magnitud más grande, ya que las rocas en el interior estable de los continentes transmiten la energía más eficientemente. Un ejemplo de este tipo en la República Mexicana fue el terremoto de Bavispe, Sonora, de 1887 (M_W 7.4; Natali y Sbar, 1982). De acuerdo con Aguilera (1888), la distribución de isosistas comprendió desde Santa Fe, Nuevo México, EE.UU. (Intensidad I en la escala de Mercalli Modificada, IMM) en el norte, hasta la Ciudad de México (IMM = I) en el centro del país. En el área epicentral (noroeste de Bavispe, Sonora) se reportaron intensidades de X (IMM). En cambio, para el terremoto de Michoacán de septiembre de 1985 (M_W = 8.1, Servicio Sismológico Nacional, SSN), en el área epicentral las intensidades sísmicas fueron de IX; hacia el norte del país, se reportaron intensidades de II en los límites de Nuevo León y Tamaulipas (México) con el estado de Texas (EE.UU.). A partir de estas observaciones, es necesario conocer leyes de atenuación, así como la respuesta sísmica de sitio para estas regiones intraplaca, con la finalidad de identificar regiones o áreas potenciales de fallar o experimentar importantes amplificaciones del movimiento de suelo ante la sacudida de un terremoto.

El objetivo de este estudio ha sido generar el primer mapa escala 1:250000 de la distribución de las condiciones sísmicas de sitio para el estado de Nuevo León, a partir de velocidades sísmicas de ondas de corte y geología superficial. La clasificación sísmica de sitio se ha realizado de acuerdo con la clasificación general propuesta por la National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP, EE.UU.).

2. Marco sismotectónico

Para el estado de Nuevo León, históricamente, los sismos que se pueden considerar como los más severos en relación a los daños generados ocurrieron los días 7 y 8 de enero de 1880. García Acosta y Suárez Reynoso (1996) mencionan que en la región de Dr. Arroyo y Mier y Noriega, Nuevo León, se reportaron daños en algunas construcciones así como en la iglesia del primer municipio. Este terremoto también se sintió en Matehuala, San Luis Potosí, y durante cuatro días después se siguieron reportando sismos. De acuerdo con la crónica mencionada en García Acosta y Suárez Reynoso (1996): "...en varias haciendas y ranchos de esta comprensión han caído algunas fincas y otras se han cuarteado, quedando casi inútiles..."

2.1 Sismicidad reciente

2.1.1 Sismo del 14 de junio de 2009 (M_W = 5.0; H = 20 km; SSN–CMT)

Este sismo fue localizado a 40 km al ENE de General Terán (Servicio Sismológico Nacional). De acuerdo con los reportes de los medios de comunicación, se sintió en los municipios de Allende, General Terán y Montemorelos, siendo estos dos últimos donde la sacudida del terreno fue más severa. No se reportaron daños a estructuras civiles.

Para la región de Montemorelos – General Terán, existe evidencia de sismicidad histórica. García Acosta y Suárez Reynoso (1996) reportaron al menos cuatro temblores (30/08/1838; 24/10/1909; 21/10/1911 y 03/12/1911) sentidos en la región de Montemorelos y localidades cercanas. Para los últimos dos eventos, las crónicas reportan intensidades sísmicas de III (Escala de CANCANI) en Montemorelos. Rodríguez Cabo (1946) estudió un enjambre de pequeños sismos en 1944. Este autor propuso, como fuente de estos sismos, al colapso de cavernas. Para esta misma región, el SSN ubicó un evento de magnitud 4.5 con una profundidad de 38 km al oeste de Montemorelos, ocurrido el 06/04/2004.

2.1.2 Sismos del 20 y 21 de junio de 2009 (M = 3.5, 3.7 y 3.7; SSN)

El 20 y 21 de junio de 2009, se registraron tres terremotos en la estación LNIG (ubicada en la Facultad de Ciencias de la Tierra, UANL) en Linares, los cuales fueron sentidos en varias localidades del municipio de Galeana. De acuerdo con Montalvo Arrieta (2009), se documentó la presencia de grietas en algunas viviendas de las localidades Lagunita (El Orito), La Manteca y San José de la Joya. Esta última población se localizó en el área epicentral de los sismos del 20 de junio y en donde se experimentaron los mayores daños a casas y la escuela primaria. Montalvo Arrieta (2009) mencionó que las intensidades sísmicas (escala de Mercalli Modificada) experimentadas en el área epicentral fueron de IV–V. Los daños en viviendas corresponden con estructuras del Tipo A (muros de mampostería en seco o con barro, adobe y tapial de acuerdo con la escala de IMM), también se reportaron grietas en escuelas y deformación de ventanales.

De acuerdo con Rodríguez Cabo (1946), García Acosta y Suárez Reynoso (1996), Galván–Ramírez y Montalvo–Arrieta (2008) y Montalvo Arrieta (2009), se ha documentado evidencia de sismicidad distribuida en todo el estado de Nuevo León, así como daños a estructuras civiles (históricas y recientes) para algunos de estos terremotos. A partir de esta evidencia, se justifica conocer y cuantificar la respuesta sísmica de sitio para el estado, así como el potencial de riesgo sísmico para la región.

La mayor parte de México es una amalgama de terrenos adheridos a Norteamérica. Según lo anterior, la evolución geológica del país ha estado controlada por la acreción de terrenos tectonoestratigráficos a través de límites transformantes o convergentes en diferentes periodos geológicos (Campa y Coney, 1983; Sedlock et al., 1993; Ortega–Gutiérrez et al., 1994).

El noreste de México ha sido afectado por numerosos eventos tectónicos, para los cuales existe una documentación extensa en la literatura. Las rocas más antiguas identificadas corresponden a granulitas, cuarcitas y gneises, que han sido reconocidas en pozos perforados al este del anticlinorio Huizachal–Peregrina. A estas rocas, con base en datos geocronológicos, se les ha asignado una edad Grenvilliana (Garrison et al., 1980; Woods et al., 1991; Ramírez–Ramírez, 1992) y cuyo origen pudo haber sido el oeste de los Estados Unidos, experimentando, durante el Paleozoico Tardío, un desplazamiento hasta su posición actual (Ortega–Gutiérrez et al., 1995).

El Mesozoico marcó el inicio de los dos eventos tectónicos más importantes en el Noreste de México: (1) la separación del supercontinente Pangea y el subsecuente rift que permitió la apertura del Golfo de México (Buffler y Sawyer, 1985; Salvador, 1987; Wilson, 1990), y (2) la subducción de la Placa Farallón en el Oeste de México (Coney, 1978; Dickinson, 1981; Damon y Shafiqullah, 1991; Grajales–Nishimura et al., 1992). Entre el Jurásico y el Terciario, ocurrió la sedimentación de la secuencia carbonatada y siliciclástica que dio lugar a la columna tipo del Noreste de México. A partir de finales del Cretácico, la secuencia marina mesozoica fue plegada y fallada durante la orogenia Laramide (Padilla y Sánchez, 1982; 1986).

Los procesos geológicos mencionados han condicionado que la columna estratigráfica para esta porción del país, esté constituida por una secuencia de rocas con edades que cubren desde el Precámbrico hasta el Cuaternario (Figura 2), siendo la Sierra Madre Oriental (SMO), el rasgo más predominante. La SMO atraviesa el estado de Nuevo León y está constituida en su mayor parte por rocas sedimentarias terrígenas y carbonatadas del Mesozoico (Padilla y Sánchez, 1982, 1985; Eguiluz de Antuñano et al., 2000) depositadas en un ambiente de rift a margen pasivo, producto de una gran trasgresión marina iniciada desde el Calloviano–Oxfordiano (164–155 Ma; Götte, 1990; Goldhammer, 1999), sobre un basamento precámbrico y paleozoico, principalmente metamórfico pero también sedimentario. La secuencia sedimentaria del Terciario localizada en la Cuenca de Burgos, representa la extensión sur de la ensenada del Río Grande en Texas, EE.UU. (López–Ramos, 1983; Bryant et al., 1991). En la Cuenca de Burgos se depositó una potente secuencia arcillo–arenosa, con intercalación variable de areniscas de espesor delgado a medio. Esta se localiza sobre una amplia y extensa plataforma continental de bajo relieve y lenta subsidencia, en la que predominaron ambientes mixtos y marinos internos a medios. La sedimentación se efectuó en depósitos cíclicos sucesivos transgresivos–regresivos del Paleoceno al Reciente y, que en general, representan una extensa progradación hacia el oriente (Echánove, 1986).

4. Definición del mapa de las condiciones sísmicas de sitio a partir de mapas geológicos

Para la creación de mapas regionales de las condiciones sísmicas de sitio, es necesario contar con una base de información geológica, para correlacionar con parámetros dinámicos de la respuesta sísmica de sitio, por ejemplo, velocidades de ondas de corte en términos de V_S30. Los primeros trabajos que presentan correlaciones entre geología y la respuesta sísmica de sitio corresponden a Petersen et al. (1997). Estos autores, a partir de información geológica, generaron un mapa de las condiciones de sitio para la región de Los Ángeles, California, con la finalidad de realizar análisis probabilísticos de movimientos fuertes del terreno. Ellos clasificaron, de manera general, las unidades litológicas en tres tipos: roca dura (basamento), rocas suaves y aluvión. A esta clasificación le asignaron valores promedio de velocidades de propagación de ondas de corte definidas por Tinsley y Fumal (1985).

Otro tipo de clasificaciones han sido aplicadas por Park y Elrick (1998). Estos autores definieron los materiales geológicos que afloran en el sur de California, a partir de la edad de las diferentes unidades litológicas, asumiendo que existe una correlación aproximada en términos de las condiciones sísmicas de sitio. De manera que las unidades del Cuaternario las asocian con aluvión, el Terciario queda expresado como rocas suaves y al Mesozoico corresponden las rocas duras o de basamento (CTM). Park y Elrick (1998) correlacionaron esta clasificación de edades con perfiles sísmicos de ondas de corte (V_S) y V_S30. Ellos encontraron que los valores de V_S30 varían con la edad y el tamaño de grano de las unidades litológicas, así que propusieron utilizar una clasificación más amplia que CTM. En este sentido, una manera para determinar la respuesta sísmica de sitio, en regiones con poca o nula instrumentación sísmica (sismómetros y/o acelerómetros), es mediante la estimación de las velocidades de propagación de ondas de corte de los sedimentos someros, utilizando métodos de exploración sísmica tales como la refracción. De manera general, se acepta que el promedio de V_S para los primeros 30 m del subsuelo (V_S30) es un parámetro para predecir el potencial de amplificación de la sacudida sísmica (Holzer et al., 2005):

De acuerdo con la NEHRP, las condiciones locales de la respuesta sísmica de sitio se pueden clasificar en seis diferentes grupos (Tabla 1). Holzer et al. (2005) mencionaron que esta clasificación es ampliamente usada en los EE.UU. y ha sido incorporada en diferentes códigos de construcción aplicados en diferentes países (Boore et al., 1994; Borcherdt, 1994; BSSC, 1994; Midorikawa et al., 1994). En este trabajo, la clasificación de la Tabla 1 y su correlación con los mapas geológicos escala 1:250000 del estado, han sido utilizados como un indicador de la respuesta sísmica de sitio, tomando como partida los estudios de Park y Elrick (1998) y Wills et al. (2000).

En el presente estudio, para realizar la correlación entre geología y velocidades de propagación de ondas sísmicas, se agruparon en primera instancia las unidades litológicas con edades y propiedades similares. Se utilizó el concepto de formación geológica, que de acuerdo con la definición de la Royal Geological and Mining Society of the Netherlands (Visser, 1980) es: (a) cualquier capa sedimentaria o serie consecutiva de capas suficientemente homogéneas o distintivas para ser consideradas como una unidad; (b) que pueda ser cartografiada y descrita en una sección geológica. Para el caso de sedimentos recientes, los cuales no han sido definidos bajo el concepto de formación, se utilizó el siguiente criterio: se clasificaron a partir de su edad y tipo de material, por ejemplo: Qal, aluvión del Cuaternario, o Tcg, conglomerado del Terciario. El siguiente punto para llevar a cabo la correlación entre geología y velocidades de propagación de ondas sísmicas fue la elección de la escala a utilizar, como refiere Wills et al. (2000). Si un mapa geológico puede ser usado para presentar la distribución de velocidades de ondas sísmicas, la pregunta que hay que resolver es: ¿cuál es el más adecuado? De manera general, se buscaron mapas geológicos que presentaran detalles que incluyeran edades, litologías y otros factores que influyen en la velocidad de ondas sísmicas, de manera particular ondas de corte. A nivel nacional y regional, los mapas que cuentan con mayor detalle y que son accesibles para cualquier usuario son los que genera el INEGI a escala 1:50000. Existen mapas con mayor resolución, sin embargo son escasos y no tienen coberturas regionales. Para el estado de Nuevo León no existe una cobertura del 100 % a escala 1:50000. De manera que, no se utilizó esta escala para generar el mapa de la distribución de velocidades para el estado. La siguiente escala utilizable, y para la cual si se cuenta con una cobertura del 100 % y con disponibilidad, corresponde a la escala 1:250000. Esta escala aún cuenta con suficiente detalle para mostrar los rasgos geológico–litológicos regionales más significativos para el propósito de este trabajo. La información geológica utilizada para la generación de los mapas de la distribución de las unidades litológicas corresponde a los datos digitales del INEGI (2006), de acuerdo a las cartas geológicas F1401, F1402, G1401, G1402, G1404, G1405, G1407, G1408, G1410 y G1411 escala 1:250000, que cubren todo el estado de Nuevo León. La Figura 3 muestra el mapa geológico del área de estudio; en la Tabla 2 se describen las localizaciones, coordenadas y tipo de litología sobre la cual se realizaron los perfiles sísmicos. La verificación en campo se llevó a cabo a partir de seleccionar sitios característicos de afloramientos para cada una de las formaciones que conforman la columna litológica tipo para el estado de Nuevo León, donde se realizaron perfiles de refracción sísmica, con longitudes de acuerdo con las dimensiones del afloramiento. La columna estratigráfica compuesta (Figura 2) para esta porción del país se obtuvo a partir de Gursky (1996), quién definió la columna estratigráfica para el Anticlinorio Huizachal–Peregrina (Paleozoico) y que corresponde al basamento en la región; Michalzik (1988) definió la columna estratigráfica para la secuencia siliciclástica y carbonatada del Mesozoico de la SMO, y Echánove (1986) describió la columna de la Provincia Cuenca de Burgos de edad terciaria, la cual se ubica en la Planicie Costera del Golfo.

Algunos de los perfiles sísmicos se realizaron en los estados de Tamaulipas y Coahuila, como se mencionó anteriormente, donde se encuentran afloramientos tipo tanto para rocas que componen el basamento, como para formaciones del Terciario. En la Tabla 2 se presentan las coordenadas, localidades y descripción del tipo de litología de los sitios. En la realización de los perfiles sísmicos, también se consideraron las variaciones en los ambientes de depositación de algunas formaciones, para determinar el valor promedio de la formación. Tal es el caso, por ejemplo, de la Formación Tamaulipas Superior, equivalente de cuenca de la Formación Aurora; la Formación Cupido, equivalente de plataforma de la Formación Tamaulipas Inferior; la Formación La Casita, con un miembro lutítico y otro compuesto por intercalaciones de lutitas, calizas y areniscas; la Formación Taraises, con un miembro inferior de caliza arcillosa y uno superior de igual composición, que hacia la cima se vuelve más calcáreo. En las zonas urbanas de Linares y Monterrey, se contó además con información litológica obtenida a partir de perforaciones, lo que permitió realizar correlaciones de la distribución de las velocidades con respecto a las unidades encontradas a profundidad. Esta correlación ha quedado descrita por Montalvo–Arrieta et al. (2005, 2008). Estos autores compararon las estructuras de velocidades de ondas P y S obtenidas, con espesores y tipo de litología de pozos localizados en las zonas urbanas de Linares y Monterrey, encontrando que existe una fuerte correlación entre los cambios litológicos y las velocidades de ondas sísmicas. Por otro lado, Infante et al. (2010) han correlacionado información geotécnica de pozos someros (litología, espesores, porcentaje de humedad y granulometría) con información generada de la inversión conjunta del gradiente cruzado de datos de resistividad y velocidad de ondas P. Estos autores han definido la geometría y la clasificación de las unidades litológicas en un sitio de pruebas, ubicado en la Facultad de Ciencias de la Tierra de la UANL (Linares). Los valores obtenidos para ondas P y su correlación con las unidades litológicas en esa área presentan similitud con lo observado en este trabajo, para cambios litológicos donde se ha considerado al aluvión con la lutita de la Formación Méndez. De esta forma, a partir de los perfiles sísmicos realizados, se agruparon las diferentes unidades geológicas que tienen valores similares de V_S30, a fin de generar el primer mapa de las condiciones sísmicas de sitio, basado en valores de V_S30 y rasgos geológicos. Es claro que, los resultados de las condiciones sísmicas de sitio obtenidos en este estudio, seguirán actualizándose conforme se incremente la base de datos de V_S30 y de información geológica detallada de sitios específicos.

5. Asignación de las unidades geológicas a la clasificación de V_S30

Considerando los estudios de Park y Elrick (1998) y Wills et al. (2000), para realizar la correlación entre materiales geológicos y velocidades de propagación de ondas de corte, se llevó a cabo la asignación de los valores de V_S30 a las unidades litológicas que afloran en el área de estudio. De acuerdo con los valores promedio obtenidos en campo para cada formación se asignaron estos a la unidad litológica correspondiente para generar la primera aproximación de la distribución de valores de V_S30 en el estado. Como se mencionó con anterioridad, se utilizó el concepto de formación para la clasificación de las unidades geológicas. Inicialmente se correlacionaron las formaciones y los valores de V_S30 de acuerdo con las compilaciones realizadas por Montalvo–Arrieta et al. (2005, 2008) para las zonas urbanas de Linares y Monterrey, respectivamente. Para estos trabajos sólo se contó con información de algunas formaciones del Mesozoico, que están compuestas por calizas y lutitas, así como material aluvial del Terciario y Cuaternario. La relación de valores de V_S30 obtenidos se correlaciona de la siguiente manera: (a) material aluvial con valores promedio de V_S de 632 m/s; (b) conglomerados del Terciario con velocidades promedio de V_S de 1370 m/s; (c) lutitas de la Formación Méndez con valores de V_S de 1774 m/s; y (d) calizas de edad mesozoica con valores de V_S de 2311 m/s. De este primer análisis, se encontró que existe una correlación aproximada en términos de las condiciones sísmicas de sitio y la edad, composición y velocidad. Así, las unidades del Cuaternario (aluvión) se asocian con velocidades bajas correlacionadas con sitios clase C (Tabla 1), los conglomerados cementados del Terciario quedan definidos como sitios clase B y los sedimentos de edad mesozoica (formaciones Méndez, San Felipe, Agua Nueva y Cuesta del Cura) corresponden a rocas duras (sitios clase A). Para el resto de las formaciones geológicas de edad Paleozoico, Mesozoico y Terciario, el tipo de clasificación de acuerdo con la Tabla 1, se obtuvo a partir de los perfiles sísmicos de refracción efectuados en este estudio.

6. Perfiles sísmicos de refracción y estimación de los valores de V_S30

La determinación de la estructura de velocidades para cada sitio de medición se llevó a cabo mediante perfiles sísmicos de refracción, los cuales fueron interpretados a partir de curvas de tiempo de viaje (método de intercepción de pendientes). Para esto, se seleccionaron los primeros arribos de las fases identificadas, asumiendo que fueron refractadas en la misma interfase. El valor de la velocidad se obtuvo a partir de las pendientes que identifican a los arribos, donde se asume que la velocidad permanece constante para cada estrato. El equipo para la realización de los perfiles sísmicos de refracción consistió de un Remote Acquisition System (RAS–24), con 24 bits para el convertidor A/D y 24 canales. Se utilizaron geófonos de componente horizontal y vertical con frecuencia natural de 28 Hz para la determinación de las velocidades de propagación de ondas P y S. La fuente utilizada para la generación de la perturbación elástica que se propagó a través del subsuelo fue un marro con un peso de 4.5 kg. El arreglo de geófonos fue variable y estuvo condicionado con la longitud del afloramiento. Los perfiles de refracción sísmica se llevaron a cabo en terracerías y/o caminos vecinales (horizontales o semi–horizontales) que cortaron los afloramientos de interés para las áreas no urbanas. Mientras que, en las ciudades éstos se realizaron en parques, terrenos baldíos, áreas residenciales, públicas o industriales, como ha sido descrito en Montalvo–Arrieta et al. (2005, 2008) e Infante et al. (2010). Para este trabajo se realizaron 708 perfiles sísmicos de refracción distribuidos en diferentes localidades del área de estudio. Estos perfiles cubrieron las diferentes formaciones que conforman la columna estratigráfica (Figura 2), e incluyen a los perfiles sísmicos obtenidos en las zonas urbanas de Linares y Monterrey. La Tabla 3 muestra los materiales y localidades donde se realizaron los perfiles de refracción sísmica, las formaciones estudiadas y su clasificación sísmica asignada de acuerdo con la Tabla 1. A continuación se presentan los valores obtenidos para algunos de los perfiles sísmicos de refracción, en sitios característicos localizados en el área de estudio.

6.1 Precámbrico y Paleozoico

6. 1. 1 Gneis Novillo (Precámbrico)

El Precámbrico se encuentra definido por el Gneis Novillo (Muir, 1936; King, 1942; Flawn y Díaz–González., 1959; Fries et al., 1962, 1974; Denison et al., 1970; Cossío–Torres, 1988) y representa el basamento cristalino metamorfizado y está compuesto por varias unidades: Gneis Bandeado, Gneis Cataclástico, Gneis de Ojos o Augen Gneiss. El complejo metamórfico del Gneis Novillo tiene su localidad tipo en el Cañón Novillo o Río San Marcos a 8 km al SW de Ciudad Victoria, Tamaulipas dentro del núcleo del Anticlinorio Huizachal–Peregrina. A partir de los perfiles sísmicos realizados en esta localidad, los valores de las velocidades de ondas P y S fueron de 3550 m/s y 2320 m/s, respectivamente. En total se realizaron 6 perfiles sísmicos obteniéndose un valor promedio de V_S30 de 2105 m/s. En la Tabla 4 se presenta esta información junto con la desviación estándar, así como la relación Vs/Vp para cada unidad litológica analizada.

6.2 Paleozoico

Se encuentra presente en el Anticlinorio de Huizachal–Peregrina y está conformado por dos secuencias: una metasedimentaria y una metamagmática. Los perfiles sísmicos realizados sobre la primer secuencia (formada a partir de un metamorfismo de bajo grado de sedimentos parcialmente ricos en arcillas; Castillo–Rodríguez, 1988) se localizan en el Cañón Novillo (Cd. Victoria, Tamaulipas), siendo las velocidades sísmicas obtenidas en este sitio, para ondas P y S, de 3000 m/s y 2080 m/s, respectivamente. La segunda de ellas (metamagmática) está conformada por serpentinitas (formada a partir de metamorfismo de bajo grado de basaltos o gabros; Salas–Pizá, 1970). Los valores de las velocidades de propagación de ondas P y S fueron de 4460 m/s y 3110 m/s, respectivamente. En total se llevaron a cabo 4 perfiles sísmicos, dos en la secuencia metasedimentaria y los otros dos en la metamagmática. Debido a las diferencias presentes en composición de estas unidades del Paleozoico, se obtuvieron valores separados de V_S30, los cuales se describen en la Tabla 4.

6. 2. 2 Formación Cañón de Caballeros (Silúrico)

Esta formación contiene secuencias calcáreo–clásticas, con conglomerados y areniscas, que se localizan en el Cañón Peregrina, al oeste de Cd. Victoria, Tamaulipas, y sobreyace al Gneis Novillo (Gursky, 1996). Las velocidades de propagación de ondas P y S para ésta formación son de 3110 m/s y 1860 m/s. Debido a la ausencia de más afloramientos accesibles, sólo se realizaron dos perfiles sísmicos y el valor promedio de ondas de corte obtenido es de 1840 m/s, el cual se reporta en la Tabla 4, junto con su desviación estándar y la relación Vs/Vp.

6.2.3 Formación Vicente Guerrero (Mississípico Inferior)

Conjunto constituido por areniscas cuarcíferas de color gris oscuro, con bandas conglomeráticas y lutitas negras (Gursky, 1996). Esta formación, descrita formalmente por Carrillo–Bravo (1961), tiene su localidad tipo en el Cañón de la Peregrina y se ha determinado que, donde se realizaron los perfiles sísmicos, tiene un espesor de 160 m. Las velocidades de propagación de ondas P y S obtenidas son de 4360 m/s y 2820 m/s, respectivamente. En esta formación se llevaron a cabo cuatro perfiles, cuyo valor promedio de V_s = 2560 m/s (ver Tabla 4).

6.2.4 Formación Guacamaya (Pérmico)

Está formación consiste de capas de areniscas gradadas e interestraficadas con limolitas y lutitas. Además se han descrito areniscas de origen volcánico y conglomerados. Los perfiles sísmicos se llevaron a cabo en el Cañón Peregrina. Esta formación es la más prominente del complejo sedimentario Paleozoico del Anticlinorio Huizachal–Peregrina (Gursky, 1996). Los valores de velocidades sísmicas obtenidos para esta unidad son de 3910 m/s para ondas P y de 2430 m/s para ondas S, con un valor promedio de ondas de corte de 2660 m/s.

6.3 Mesozoico y Terciario

Para las rocas del Mesozoico, los perfiles sísmicos de refracción realizados se ubicaron en varias localidades distribuidas en la SMO. Debido al grado de competencia de la mayor parte de las formaciones (Tabla 1), se escogieron caminos de terracería para colocar los geófonos. Para aquellas unidades donde existen cambios en las facies de sedimentación, como en las formaciones La Casita, Tamaulipas Inferior/Cupido, Tamaulipas Superior/Aurora, se eligieron diversos puntos de medición para valorar el efecto de las variaciones litológicas sobre las velocidades de propagación de las ondas sísmicas. Para tasar lo anterior, se realizaron mediciones a diferentes latitudes (sitios localizados tanto en el estado de Nuevo León como en Tamaulipas). Como se ha mencionado, la Tabla 2 muestra las coordenadas geográficas y localidades donde se llevaron a cabo los perfiles sísmicos de refracción. En las Tablas 3 y 4 se presentan la descripción de las formaciones y litologías analizadas, el número de perfiles realizados, el valor promedio de V_S30 obtenido, así como su desviación estándar y su relación Vs/Vp correspondiente.

Por otro lado, se observó el papel importante del grado de consolidación de los materiales geológicos en la disminución de las velocidades de propagación de ondas sísmicas. Las formaciones del Terciario (Figura 2b) presentaron valores promedio de velocidades de propagación de ondas de corte menores que las rocas del Mesozoico y Paleozoico. Los valores de V_S30 para rocas sedimentarias Terciarias se clasificaron como materiales tipo B y C de acuerdo con la Tabla 1. Las velocidades más bajas medidas corresponden con la Formación Frío (localizada en la Cuenca de Burgos; Tabla 2) constituida por intercalaciones de lutita–arenisca. Esta formación presenta valores de V_S30 = 720 m/s, siendo clasificada como sitio clase C.

Los perfiles sísmicos realizados en rocas del Terciario, se llevaron a cabo en tres sub–provincias con características geológicas diferentes en su formación: Cuenca La Popa, Cuenca de Burgos y el Complejo Intrusivo de la Sierra de San Carlos. Las características de estas estructuras geológicas han condicionado las relaciones de velocidades de ondas sísmicas observadas. Los promedios de velocidad V_S30 medidos en el Complejo Intrusivo de la Sierra de San Carlos fueron los más altos (1800 < V_S30 < 2750; Tablas 3 y 4), clasificándose como sitios clase A (basaltos, gabros y sienitas). Los valores intermedios medidos se ubicaron en la Cuenca La Popa donde variaron entre 1230 ≤ V_S30 ≤ 1640 m/s. Los perfiles sísmicos realizados se llevaron a cabo en las formaciones siliciclásticas Muerto, Difunta, Potrerillos, Adjuntas y Viento. Las velocidades más bajas corresponden a la Cuenca de Burgos, donde los valores varían entre 720 ≤ V_S30 ≤ 1710 m/s, las cuales se correlacionan con las formaciones Velasco, Midway, Wilcox, Vicksburg y Frío (Tablas 3 y 4).

6.4 Cuaternario

De manera general, las unidades geológicas del Cuaternario presentan variaciones significativas en las velocidades de propagación de ondas sísmicas. Estas son el resultado del depósito en ambientes geológicos similares a los presentes en la actualidad. Por esta razón, en algunas zonas urbanas distribuidas en todo el mundo, se han realizado cartografías donde se muestra con cierto nivel de detalle estudios de la distribución de las unidades geológicas del Cuaternario, clasificadas de acuerdo a su ambiente de depósito. En algunos casos existe, además, un control en la descripción del tipo de grano, densidad, porosidad y grado de cementación (Wills et al., 2000). Estos factores son los que controlan las velocidades de propagación de las ondas sísmicas y han permitido para algunas zonas urbanas hacer zonificaciones muy detalladas de la distribución de V_S30. Para la región de estudio, sólo en Monterrey y su área metropolitana se cuenta con ese nivel de detalle (Alva–Niño, 1995; Montalvo–Arrieta et al., 2008). Para el resto del estado, los materiales recientes (Cuaternario) han sido clasificados solamente como material aluvial.

Los principales centros urbanos del área de estudio: Monterrey y su área metropolitana, así como el resto de las principales ciudades del estado (Linares, Cadereyta, Allende y Montemorelos) se encuentran asentadas sobre sedimentos del Cuaternario. De acuerdo a las condiciones climáticas, así como a la disponibilidad de agua, estos centros urbanos se han asentado en la porción oriental de la SMO, así como dentro de la PCG, ocupando desde las laderas de la gran cadena montañosa hasta extensos valles. Estos valles están rellenos por sedimentos erosionados de la SMO, principalmente, conglomerados y sedimentos aluviales. Es común que, parte de la urbanización en la planicie se sitúe sobre terrazas fluviales (Ruiz–Martínez y Werner, 1997). De manera general, se ha documentado que los espesores máximos de los depósitos aluviales en las áreas urbanas de Monterrey y Linares son menores a 25 m (Alva–Niño, 1995; Galván Mancilla, 1996; Prado Gómez, 1997; Ruiz–Martínez y Werner, 1997, Montalvo–Arrieta et al., 2005, 2008). A partir de los trabajos de Montalvo–Arrieta et al. (2005, 2008) y los realizados en este estudio, se ha documentado que el tipo de sedimentos aluviales presentes en el área de estudio (aluvión, Qhoal–L) presentan valores promedio de V_S30 = 559 m/s y corresponden con sitios clase C.

6.5 Determinación de V_S30

El cálculo de los valores de V_S30 en los sitios analizados se obtuvo a partir de la Ecuación 1. Para algunos sitios, ubicados fuera de las zonas urbanas, los valores de V_S30 fueron asignados de manera directa a partir del valor promedio medido de V_S, debido a que los perfiles de refracción fueron realizados directamente sobre el afloramiento de la formación geológica de interés. De manera particular, para aquellas formaciones con edades del Paleozoico y Mesozoico donde por su revisión en campo se identifican como rocas consolidadas, debido a su grado de compactación, cementación y dureza, se clasificaron como sitios clase A y B. Como se ha descrito, las formaciones que conforman la columna geológica tipo para el área de estudio presentan como mínimo espesores de 50 m, por lo que el valor obtenido de V_S puede representar claramente a V_S30. Para las formaciones analizadas, se encontró que existe una relación entre el incremento del espesor con el aumento de la velocidad de propagación de ondas sísmicas, como resultado del grado de compactación de los materiales geológicos. Sin embargo, se determinó que las formaciones más arcillosas presentan mayores variaciones en la velocidad de propagación para diferentes profundidades con respecto a formaciones con la ausencia de estos materiales. Un ejemplo característico es la Formación Méndez, la cual tiende a meteorizarse fácilmente por su composición litológica (lutitas, margas). Análisis detallados (Picciotto–Fernández, 2000; Montalvo–Arrieta et al., 2008; Infante et al., 2010) en el área de estudio muestran estas variaciones. Picciotto–Fernández (2000), empleando una fuente tipo "sparker" en tres pozos perforados en la Facultad de Ciencias de la Tierra de la UANL en Linares, Nuevo León, determinó la estructura de velocidades para esta formación, demostrando además que existe una variación en la velocidad de propagación de ondas P de 3200 m/s (10 m de profundidad) a 5400 m/s para profundidades mayores a 45 m. Para el mismo sitio, pero empleando perfiles sísmicos de refracción en superficie, Infante et al. (2010) determinaron que para VP existen variaciones de 2000 m/s cerca de la superficie (4 m) hasta más 3000 m/s para profundidades mayores a 10 m. En el área metropolitana de Monterrey, Montalvo–Arrieta et al. (2008) observaron que las variaciones de V_P y V_S son de 2140 a 3750 m/s y 1200 a 2500 m/s respectivamente, para los primeros 30 m del subsuelo. Estas variaciones fueron comúnmente encontradas en aquellas formaciones con altos contenidos de lutitas y/o margas, por ejemplo: La Casita, San Felipe del Mesozoico, o Frío, Vicksburg y Velasco para el Terciario.

Para el caso de formaciones compuestas por calizas (i.e. Cupido/Tamaulipas Inferior, Aurora/Tamaulipas Superior, Cuesta del Cura, entre otras), se encontró que los valores de V_S no variaron mucho con respecto a la profundidad. Estas formaciones son más resistentes a los procesos de meteorización/erosión, lo cual se vio reflejado con variaciones no significativas de V_S. En la literatura (i.e. Wills et al., 2000) se ha determinado que no se puede asignar valores de V_S a V_S30 cuando existen variaciones importantes en las condiciones geológicas en pocos metros de espesor. Casos clásicos se han reportado en la Ciudad de México o en la bahía de San Francisco, donde se ha encontrado que existen variaciones significativas de los valores de V_S en decenas de metros. Por ejemplo, para el sitio Alameda Central en la Ciudad de México, se han calculado variaciones importantes en menos de 30 m de espesor, donde se tienen valores de V_S = 80 m/s para los primeros 7 m del subsuelo, una inversión de velocidades entre 7 a 30 m de profundidad con valores de V_S de 65 m/s y a partir de 31 m de profundidad la V_S se incrementa a 180 m/s. Por otro lado, en regiones áridas o semiáridas se ha observado que los sedimentos Cuaternarios no presentan cambios tan significativos en pocas decenas de metros, principalmente cuando los sedimentos aluviales muestran procesos de cementación por medio de caliche (Montalvo–Arrieta et al., 2005, 2008; Scott et al., 2006). Por el contrario, la presencia de este cementante genera que exista un incremento en la velocidad de propagación de ondas sísmicas de los depósitos aluviales (en los primeros metros del subsuelo), como lo han observado Scott et al. (2006) y Montalvo–Arrieta et al. (2005, 2008) para ciudades como Las Vegas en EE.UU., y Linares y Monterrey, respectivamente. Estas observaciones motivan a que se pueda utilizar el valor V_S como V_S30, principalmente para formaciones consolidadas del Terciario, Mesozoico, Paleozoico y Precámbrico. Para el caso de las zonas urbanas, los valores de V_S30 fueron obtenidos por la Ecuación 1. Como se mencionó anteriormente, para los municipios de Linares y Monterrey, se pudieron realizar correlaciones de las estructuras de velocidades obtenidas con información de pozos. Esto permitió verificar los datos obtenidos a partir de los perfiles sísmicos con clasificaciones geotécnicas (Rodríguez–Marek et al., 2001) para la determinación de efectos sísmicos de sitio. Esto ha sido documentado por Montalvo–Arrieta et al. (2005, 2008). Con los valores obtenidos de V_S30 para cada una de las formaciones y unidades litológicas analizadas descritas en las Tablas 3 y 4 y en Montalvo–Arrieta et al. (2005, 2008), se procedió a generar el mapa de la distribución de V_S30 para todo el estado.

Una vez definido el detalle del mapa geológico a utilizar (escala 1:250000), se procedió a la asignación de los valores de V_S30, descritos en la Tabla 3, para cada una de las unidades geológicas presentes en el área de estudio. Esto se llevó a cabo a través de un sistema de información geográfica en donde se implementó la información geológica mostrada en las Figuras 2 y 3. La Figura 4 muestra el mapa de la distribución de la respuesta sísmica de sitio a partir de velocidades de ondas de corte. Como se puede observar en el mapa, los sitios clase A (V_S30 > 1500 m/s) se localizan principalmente en la SMO y corresponden principalmente con rocas consolidadas del Mesozoico. Los sitios Clase B (760 < V_S30 < 1500 m/s) se ubican en sedimentos de edad Terciaria, los cuales corresponden a formaciones que se encuentran en proceso de consolidación, así como conglomerados fuertemente cementados. Finalmente, los sitios Clase C (360 < V_S30 < 760 m/s) corresponden con depósito aluviales del Cuaternario, cuyo valor promedio de V_S30 fue de 560 m/s. Algunos sitios, con valores más altos que este promedio, se relacionan con la presencia de cementante (caliche), el cual genera que el material se encuentre parcialmente consolidado. Las áreas urbanas de Monterrey y Linares se ubican sobre sitios clase C.

8. Discusión y conclusiones

En este trabajo se ha generado el primer mapa de las condiciones sísmicas de sitio, escala 1:250000, para el estado de Nuevo León. Este se preparó a partir de la integración de información geológica (formaciones geológicas y/o unidades litológicas) con propiedades físicas, tal como el promedio de velocidades de V_S30, determinado para cada una de estas formaciones y/o unidades litológicas. Los resultados obtenidos en este estudio serán de utilidad para generar mapas de riesgo sísmico a nivel regional, en donde las velocidades de propagación de ondas de corte pueden ser utilizadas para determinar el efecto sísmico de sitio. Esta información también puede integrarse a estudios de efectos de contrastes de impedancias entre materiales someros (≤ 30 m) y sedimentos profundos (> 30 m) y en el análisis geométrico de unidades litológicas.

Para la generación del mapa de las condiciones sísmicas de sitio, se utilizó la clasificación de suelos propuesta por la NEHRP, la cual se ha incorporado a diferentes códigos de construcción de diversos países. La correlación entre geología y velocidades de propagación de ondas S y/o V_S30 se llevó a cabo agrupando las unidades litológicas con edades y propiedades similares, utilizando el concepto de formación geológica. Se realizaron 708 perfiles sísmicos distribuidos en localidades de los estados de Nuevo León, Coahuila y Tamaulipas, los cuales cubrieron la columna litológica tipo para el área de estudio. Los perfiles realizados incluyeron variaciones en ambientes de sedimentación de formaciones geológicas, las cuales se distribuyen en diferentes localidades del estado. Esto permitió dar cobertura a los diferentes tipos de litologías presentes en la región. De manera particular, fue posible establecer las variaciones en espesores de material aluvial presente en las zonas urbanas de Linares y Monterrey. A partir de la clasificación de la NERHP, se determinó que las rocas precámbricas, paleozoicas y mesozoicas se clasifican como sitios clase A (V_S30 ≥ 1500 m/s). Las rocas de edad terciaria se clasifican como materiales tipo B, ubicándose en el intervalo 760 ≤ V_S30 ≤ 1500 m/s. Los sedimentos del Cuaternario presentaron valores de V_S30 entre 360 a 760 m/s, clasificándose como sitios clase C.

La mayor parte de los perfiles sísmicos en sedimentos del Cuaternario se realizaron en las zonas urbanas de Monterrey y Linares. En estas áreas, además, se contó con información de pozos, lo cual permitió correlacionar los valores de obtenidos de V_S30 con otro tipo de clasificaciones geotécnicas, como la propuesta por Rodríguez–Marek et al. (2001). Para estas zonas, de acuerdo con lo observado por Montalvo–Arrieta et al. (2005, 2008), se determinó que la variación de la respuesta de sitio definida a través de V_S30 está condicionada por dos factores: la presencia de paleocanales y el grado de cementación por caliche de los materiales aluviales, esto último particularmente para regiones caracterizadas por altas tasas de evapotranspiración, como es el caso del noreste de México. A mayor grado de cementación, la velocidad de propagación de V_S30 alcanzó valores cercanos a los 760 m/s.

A partir de los resultados obtenidos se encontró que, las unidades litológicas en el área estudiada, presentaron una correlación en términos de las condiciones sísmicas de sitio y la edad de estas, como lo definieron Park y Elrick (1998). Las unidades del Cuaternario asociadas con aluvión presentan las velocidades más bajas (sitios Clase C), el Terciario queda expresado como rocas suaves (sitios clase B) y el Mesozoico y Paleozoico corresponden a rocas duras o de basamento (sitios Clase A).

Agradecimientos

Este trabajo ha sido parcialmente apoyado por los proyectos: Apoyo a la Incorporación de Nuevos PTC clave: PROMEP/103.5/03/2552, PAICYT–UANL CT877–04 y CONACYT 25637. El segundo autor (LGRZ) agradece al CONACYT por la beca otorgada para el desarrollo de su tesis doctoral en el Posgrado de la Facultad de Ciencias de la Tierra, UANL (Doctorado en Ciencias, Especialidad en Geociencias).

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