MICROZONIFICACIÓN SÍSMICA Y FENÓMENOS DE LICUEFACCIÓN

EN LA COMUNA DE SAN PEDRO DE LA PAZ, REGIÓN DEL BIOBÍO - CHILE

David Cáceres *, Paola Ramírez * * Servicio Nacional de Geología y Minería, SERNAGEOMIN Avenida Santa María 0104, Santiago, Chile david.caceres@sernageomin.cl paola.ramirez@sernageomin.cl

RESUMEN En la comuna de San Pedro de la Paz, Región del Biobío, se elaboró un mapa de microzonificación sísmica, escala 1:20.000, aplicando el método de Nakamura; el estudio incluyó la caracterización geológica del área, registro de microvibraciones y un modelamiento gravimétrico. Al contrastar el mapa de microzonificación sísmica obtenido, con los suelos de alta susceptibilidad a la licuefacción, identificados en el área de estudio, se observa que no existe relación entre ambos. 1. INTRODUCCIÓN. San Pedro de la Paz es una comuna costera, ubicada al sur del río Biobío (Fig.1). La geología se caracteriza por un basamento rocoso, formado por rocas metamórficas de edad paleozoica, y por depósitos poco consolidados de terrazas marinas y depósitos litorales actuales, humedales costeros y dunas, que rellenan una potente cuenca sedimentaria. La acelerada expansión urbana, desarrollada sobre rellenos antrópicos dispuestos en estos depósitos poco consolidados y con niveles de agua subterránea muy someros, explica la extensión y diversidad de los daños provocados por el sismo de magnitud 8,8 Mw, ocurrido el 27 de febrero de 2010. Para identificar zonas de riesgo frente a sismos de elevada magnitud, se elaboró un estudio de microzonificación sísmica del área urbana. La metodología utilizada, se fundamenta en la caracterización geológica-geotécnica y la determinación del periodo predominante de vibración del suelo, utilizando el método de Nakamura.

Figura 1: Ubicación de la comuna de San Pedro de La Paz.

El propósito de este estudio es obtener una aproximación al comportamiento dinámico de los suelos, frente a sismos de elevada magnitud, que permita identificar áreas con distinto comportamiento sísmico en el área urbana. Para esto, se elaboró una microzonificación en base a la frecuencia fundamental de vibración del terreno, estimada a partir de la razón espectral entre la componente horizontal y vertical (HVR), de mediciones de microsismos del suelo. Estas frecuencias fundamentales, fueron analizadas e interpretadas, en conjunto, con las características geológico-geotécnicas de los suelos y la profundidad relativa del sustrato rocoso, determinada a

partir de un modelamiento gravimétrico (Ramírez et al., 2012); los resultados fueron contrastados con las evidencias de daños provocados por el sismo del 27 de febrero de 2010. Este aporte a la investigación del comportamiento dinámico de los suelos, constituye un punto de partida, tanto para futuros estudios de respuesta sísmica, como para la elaboración de normas de diseño de viviendas y estructuras sismorresistentes, y para las regulaciones destinadas a la planificación urbana y gestión de riesgos naturales. 2. METODOLOGÍA. A continuación se detallan los procesos relacionados con el levantamiento de información base, utilizada en la elaboración del mapa de microzonificación sísmica: el registro de microvibraciones, el mapa de suelos de fundación y el modelamiento del basamento rocoso; al mismo tiempo se describen los principales daños observados luego del sismo del 27 de febrero de 2010.

2.1. Adquisición de datos y análisis de microvibraciones: Para determinar el período predominante de vibración del suelo, se utilizó el método de Nakamura (1989). Este método se basa en relacionar los espectros de Fourier, entre las componentes horizontal y vertical de los registros de microvibraciones adquiridos en superficie. La relación espectral que se utiliza es H/V, donde H es promedio de los espectros horizontales (N-S y E-W) y V es el espectro vertical del registro (Yauri, 2006). Este método utiliza como fuente de energía la actividad humana (ejemplo: el tráfico vehicular, maquinaría industrial, entre otros) como también la de los fenómenos naturales (ejemplo: viento, oleaje, presión atmosférica) que hacen vibrar el suelo, lo que posibilita estimar el periodo natural de oscilación. En general, este método permite una buena correlación entre los daños producidos por grandes terremotos, la geología superficial y las frecuencias fundamentales del suelo (Leyton et al., 2011). La adquisición de datos de microvibraciones, se realizó con un sismómetro triaxial Tromino (Micromed spa, www.tromino.it), con sensibilidad de 0,1 a 200 (Hz), y el procesamiento de las series de tiempo, se realizó con el software Grilla (Micromed spa, www.tromino.it). Se logró el registro de microvibraciones de buena calidad en 227 sitios, que representan toda el área de estudio y, especialmente, las zonas con suelos poco consolidados y llanos, que corresponden a zonas residenciales y de expansión urbana. Los sitios de medición fueron posicionados con GPS, y seleccionados según una distribución espacial lo más homogénea posible, teniendo en cuenta las limitantes topográficas, recintos privados sin acceso y fuentes de ruido cercanos. Los registros se analizaron con el software Grilla, en el rango de frecuencias de 0-10 Hz, y se aplicaron diversas funciones de ventana como también funciones de suavizado. Con esto se logró hallar la frecuencia predominante y, por consiguiente, el período predominante del lugar (función inversa de la frecuencia). En la figura 2 se muestra la relación espectral H/V, con distintas tasas de muestreo para un mismo lugar. Las líneas continuas finas de color negro, representan el intervalo de confianza y la línea gruesa de color rojo, el promedio. Las mediciones tuvieron una duración de 12 a 16 minutos. En una primera instancia, se hicieron registros con una tasa de muestreo de 128 Hz y con una duración de 16 minutos, pero los datos obtenidos fueron de difícil interpretación, ya que se obtuvieron registros muy planos, sin un pico de frecuencia claro; un ejemplo de estos registros se muestra en la figura 2a. Al subir la frecuencia de muestreo a 256 Hz, se obtuvieron resultados similares a la tasa de 128 Hz (figura 2b). Finalmente, con una frecuencia de muestreo a 512 Hz, se logró un registro de mucha calidad y fácil interpretación, como aparece en la figura 2c, ya que el pico es claramente identificable, porque posee una marcada amplitud a los 0,91 Hz. Por esta razón, las mediciones definitivas fueron realizadas a 512 Hz, con un tiempo de medición de 12 minutos, para optimizar la adquisición de datos. Finalmente, los períodos predominantes registrados, correspondientes al casco urbano consolidado y a las áreas de expansión de la ciudad de San Pedro de la Paz, presentan valores entre 0,2 y 1,8 segundos. Este rango de registros refleja, de alguna forma, la variabilidad en las características del suelo. Las rocas metamórficas ubicadas al SE del mapa se correlacionan con períodos predominantes inferiores a 0,2 segundos, equivalentes a frecuencias fundamentales superiores a 4 Hz, reflejando un comportamiento de suelo compacto. En las zonas que están sobre depósitos de terrazas marinas, localizados en los faldeos de la Cordillera de Nahuelbuta, se

distribuyen los isoperíodos de rango intermedio (0,4 a 1,0 s), equivalentes a frecuencias entre 2,5 y 1 Hz, respectivamente. Los períodos predominantes de mayor duración (1,2 a 1,8 s), se concentran sobre depósitos no consolidados de origen marino y fluvial, ubicados en el borde costero y en la ribera sur del río Biobío, al noroeste de la Ruta 160.

Figura 2: Análisis espectral con diferentes frecuencias de muestreo para un mismo lugar.

2.2 Geología y geomorfología: Se elaboró un mapa de suelos de fundación (depósitos no consolidados) que identifica las diferentes unidades según su origen, texturas y propiedades geotécnicas, para lo cual se consideró la geología y geomorfología del área, junto con las características estratigráficas de 52 sondajes disponibles (base de datos actualizada de Ulloa, 2007), con una profundidad media de 10 m, para estimar la extensión lateral de las distintas unidades de depósitos sedimentarios. En la figura 3, se indican las principales unidades geológicas identificadas en la comuna de San Pedro de la Paz. Estas se describen, a continuación, con base en Gajardo (1980) y Mendoza (2001), según su distribución en las principales unidades del relieve, que son la cordillera de Nahuelbuta y la llanura arenosa: Cordillera de Nahuelbuta: Esta unidad, que se desarrolla hacia el sur del río Biobío, está compuesta por rocas metamórficas de edad paleozoica, pertenecientes a la Serie Oriental del basamento metamórfico (PzSE). En el borde occidental de la cordillera de Nahuelbuta, se han desarrollado terrazas de erosión marina, y sobre estas se reconoce la unidad geológica denominada Estratos Molino del Sol (Mpm), con edades del Mioceno al Plioceno (Mendoza, 2001). En la vertiente oriental de la Cordillera de Nahuelbuta, hacia la ribera del río Biobío, la acumulación de depósitos de remoción en masa y coluviales, interdigitados con los depósitos fluviales de arenas del río Biobío, ha dado origen a la unidad identificada como Depósitos aluviales y coluviales (PlHac) del Pleistoceno-Holoceno.

Llanura arenosa: Terrenos de muy baja altitud y poca pendiente. Se pueden distinguir dos subunidades, la Planicie litoral y la Terraza fluvial del río Biobío. La Planicie litoral comprende tanto terrazas marinas bajas, ubicadas entre la cordillera de Nahuelbuta y el mar, como humedales costeros y vegas, ubicados al oeste y noroeste de esta cordillera. En esta planicie se concentra una cantidad considerable de población, expandiéndose las zonas residenciales hacia el sur. Las terrazas marinas bajas están labradas sobre depósitos litorales (PlHl), del Pleistoceno-Holoceno, formados por arenas con bajo contenido de limos, y dunas, que corresponden a paleo líneas de costa. Los humedales costeros (Hh) del Holoceno, tienen un sustrato formados por arcillas, limos y arenas finas a muy finas, con alto contenido de materia orgánica. En ellos desagüan las quebradas que provienen de la cordillera de Nahuelbuta, cuyas aguas se acumulan al llegar a la llanura, debido a la obturación del drenaje generada por los depósitos dunarios. Los humedales más importantes son el humedal Los Batros, por donde desagüa la laguna Grande de San Pedro, mediante el canal Los Batros, y la laguna Junquillo, hacia el suroeste del área de estudio. La terraza fluvial del río Biobío, está labrada sobre depósitos fluviales (PlHfb), del Pleistoceno-Holoceno, formados por sedimentos fluvio-deltaicos, donde predominan las arenas negras de este río, derivadas de lavas basálticas del volcán Antuco, con edades desde el Neógeno hasta el Reciente. La unidad más reciente corresponde a una serie de depósitos antrópicos (Han) de edad Holoceno, formados por arenas, limos, arcillas escombros de construcción y restos de materia orgánica, cubren a las unidades anteriormente mencionadas. Las relaciones de contacto entre las distintas unidades de roca y suelo, se observan en la figura 4, de acuerdo a la ubicación de los perfiles geológicos que se muestran en la figura 3.

2.3 Modelamiento gravimétrico y Transciente electromagnético: Para precisar la geometría del relleno sedimentario y su límite espacial con el basamento, se realizó un estudio gravimétrico de detalle. La fuente de datos utilizada corresponde a estaciones gravimétricas, ubicadas con un espaciamiento promedio de 100 m. Esta información se complementó con secciones en profundidad, obtenidas utilizando el método de transciente electromagnético (TEM) para confirmar las profundidades y formas sugeridas por el modelo gravimétrico. De la interpretación de las anomalías gravimétricas residuales y la estimación de profundidades aportada por los perfiles TEM, se obtuvo una aproximación de las relaciones geométricas entre los depósitos sedimentarios y el basamento rocoso paleozoico. En la figura 4 se muestran dos perfiles geológicos AA' y BB', basados en las mediciones gravimétricas y de transciente electromagnético (TEM), cuya ubicación está graficada en la figura 2. El perfil AA', ubicado al noroeste del área urbana de San Pedro de la Paz, muestra la configuración de una cuenca formada por rocas del Basamento Metamórfico (PzSe), de morfología suave, con incremento de pendiente ascendente hacia el este; en ella se ha acumulado un volumen importante de depósitos no consolidados de origen fluvial y marino, los cuales alcanzan una potencia superior a los 300 m cerca de la línea de costa (Fig. 4).

2.4 Daños provocados por el terremoto del 2010 (MW 8,8): La ciudad de San Pedro de la Paz, no sufrió los efectos del tsunami posterior al terremoto, de modo que los daños más importantes, fueron causados por fenómenos de amplificación sísmica y licuefacción de suelos, resultantes del evento sísmico. Estos daños se concentraron en zonas de humedales que habían sido rellenados y ocupados con fines habitacionales. La ocurrencia de licuefacción por un evento sísmico, es condicionada por varios factores, los principales de los cuales son: el origen del suelo, que influye en el grado de compactación y distribución de tamaño de los granos; la distribución del tamaño de los granos: suelos de grano homogéneo, con alta porosidad efectiva aumentan la susceptibilidad a la licuefacción; profundidad del agua subterránea: a mayor saturación mayor capacidad de licuarse; edad del depósito: suelos jóvenes han sido débilmente compactados y tienen mayor susceptibilidad a licuarse; amplitud y duración de la vibración: depende de la profundidad y magnitud del sismo desencadenante; peso del recubrimiento y profundidad del suelo: debido a que las presiones entre poros aumentan con la profundidad, el proceso ocurre normalmente a profundidades menores de 10 metros.

Figura 3: Mapa geológico del área de San de San Pedro de la Paz.

Figura 4: Perfiles geológicos modelados mediante gravimetría (recuadro superior de cada perfil) y transciente electromagnético (estaciones designadas con el prefijo “SPP” en la imagen) . En el área de estudio, los sectores más afectados por este fenómeno corresponden a las riberas del río Bíobío y de cuerpos de aguas superficiales, como lagunas y esteros, así como las zonas de humedales y al borde costero. Estos sectores reúnen las condiciones mencionadas anteriormente, ya que corresponden a extensos depósitos de arenas medias a finas, saturadas en agua, con niveles de aguas subterráneas muy cercanas a la superficie del terreno, o bien a suelos pobremente compactados y con abundante materia orgánica (Hh y Han). En consecuencia, en esta área fueron cuantiosos los daños en viviendas y en la infraestructura pública, debido a los efectos de licuefacción, que provocaron entre otros fenómenos, el agrietamiento y hundimiento del terreno, asentamientos diferenciales de estructuras, “golpes de agua” (surgimiento de agua) y volcanes de arena. En el sector de Bayona, como resultado de fenómenos de subsidencia y propagación lateral, varios edificios en altura, construidos sobre humedales y rellenos artificiales, sufrieron asentamientos diferenciales, debido principalmente a una deficiente preparación de los suelos de fundación. El mismo efecto se observó en la ribera del río Biobío, donde los rellenos antrópicos y depósitos aluviales y coluviales, sufrieron fenómenos de propagación lateral con desplazamientos de hasta 2 metros en la vertical (Fig. 5). También los 3 puentes de acceso a la comuna sufrieron daños severos y el tránsito estuvo interrumpido para camiones de carga por varios meses. Los daños catastrados por la I. Municipalidad de San Pedro en edificios y viviendas, con posterioridad al sismo del 27 de febrero, se identifican en la figura 6, según grado de intensidad, en color rojo, anaranjado y amarillo.

Figura 5. 5a (izq.): Fenómenos de propagación lateral asociados a licuefacción, en la ribera del río Biobío, efecto del sismo del 27/02/2010 (Tomado de Ilustre Municipalidad San Pedro de la Paz, 2010); 5b (der.): Subsidencia y deformación, afectando rellenos antrópicos sobre humedal Los Batros (Gentileza de Jorge Quezada).

3. RESULTADOS. El mapa de microzonificación sísmica que se muestra en la figura 6, se elaboró sobre la base de una correlación entre el período predominante, la geología del área de estudio y la profundidad del basamento. Para delimitar las zonas homogéneas, se interpolaron los puntos de períodos predominantes obtenidos mediante el método de Nakamura y el resultado fue integrado con la información geológica y de sondajes, representado en la figura 3. Se consideró, también, la profundidad relativa del relleno sedimentario obtenido del modelado gravimétrico y perfiles TEM, según se muestra en las secciones de la figura 4. La microzonificación sísmica obtenida, delimita áreas con rangos homogéneos de períodos predominantes, siguiendo las tendencias de las interpolaciones. Se identificaron cuatros zonas, con períodos predominantes que varían de 0,5 a 1,8 (s), con picos, generalmente, de gran amplitud en suelos blandos, correspondientes a depósitos litorales y fluviales, y en zonas con períodos predominantes inferiores o iguales a 0,5 (s) que corresponden a los sectores con afloramientos rocosos cercanos a la superficie, los cuales presentan picos de baja amplitud. En cuanto a las evidencias de daños provocados por el terremoto de febrero de 2010, se concluye que la mayor parte de los daños en viviendas y edificios se produjeron por efecto del fenómeno de licuefacción, con agrietamiento y asentamiento diferencial de suelos y propagación lateral en los terrenos que limitan con cuerpos de agua. Estos fenómenos se concentraron en unidades de suelos del tipo “Humedales” (Hh) y “Depósitos antrópicos” (Han), y en una franja de al menos 200 m de ancho paralela al borde costero correspondiente a la unidad de “Depósitos litorales” (PlHl) (Ramírez et al., 2012). En general, las zonas rocosas de la cordillera de Nahuelbuta, presentan los períodos predominantes más bajos (Zona IV), mientras que los períodos mayores (Zona I) corresponden a depósitos de terrazas marinas, en las cuales la potencia del relleno sedimentario saturado en agua, es mayor a 200 m. El límite oriental de la Zona IV, corresponde al río Biobío. En este caso, los depósitos coluviales y rellenos artificiales que se ubican en las riberas del río, no presentan microvibraciones que los diferencien, debido a que la cordillera de Nahuelbuta, por estar conformada por una roca muy competente, enmascara la vibración de los suelos blandos. Este estudio revela que para la comuna de San Pedro de la Paz, existen áreas con un bajo periodo de vibración, que en general se asocia a suelos duros, pero en las cuales se produjo intensa licuefacción en los niveles más superficiales del suelo (Fig. 6). Esto se explica por la escasa potencia del relleno sedimentario con alta susceptibilidad a la licuefacción, en general, con menos de 10 metros de potencia; en los cuales los bajos valores de período predominante reflejan la cercanía de un medio rocoso competente e isótropo.

Figura 6: Muestra la microzonificación elaborada en base a los períodos predominantes y geología del área. Sobreponiendo a ésta, las zonas identificadas con alta susceptibilidad a la licuefacción. Se incluye los daños registrados después del terremoto, según grado de intensidad; los rombos rojos indican daño total, colapso, orden de demolición; el color anaranjado, daño severo, inhabitable, con posibilidades de reparación; y el color amarillo, daño parcial grave, habitable, reparable.

4. DISCUSIÓN. La frecuencia fundamental de vibración para los distintos tipos de suelo, presenta muy buena correlación con el mapa geológico, esto confirma que representa una propiedad intrínseca de los materiales litológicos, vinculada directamente con su rigidez. Sin embargo, la microzonificación sísmica elaborada en este estudio, a partir de la integración de información geológica y geofísica, no muestra una relación clara entre el periodo predominante y los suelos con alta susceptibilidad a la licuefacción. Es el caso del sector de la ribera del río Biobío, donde se observó una intensa propagación lateral; sin embargo, en la microzonificación corresponde a una zona IV, con períodos entre 0,1 a 0,5 s. Esto se explica por la gran potencia del basamento cercano (PzSE) que enmascara la señal que tendrían los depósitos coluviales y rellenos antrópicos. Una situación similar se observa en el sector de Bayona, sobre los rellenos del humedal Los Batros. Aquí se produjeron severos daños en viviendas e infraestructura. Este sector corresponde, de acuerdo a la microzonificación, a las Zonas III y IV, con períodos entre 0,5 y 1,0 s. Los daños observados en el sector de Lomas Coloradas, se explican por la presencia de niveles freáticos someros, debido a la cercanía de humedales formados por la obturación de los drenajes que descienden de la cordillera de Nahuelbuta. En esta zona se puede apreciar, nuevamente, el efecto del basamento rocoso en el período predominante del suelo, que muestra valores inferiores a 0,5 s. Estos resultados indican que la influencia de la profundidad del nivel freático, y la compactación de los niveles superficiales del suelo, son factores que condicionan la ocurrencia de licuefacción, más allá de las características de sitio, representadas por la frecuencia natural de vibración del suelo. Se puede concluir que en el área de estudio, el alto contraste entre las densidades del relleno sedimentario y el basamento rocoso, hacen que este último enmascare la respuesta de sitio de los suelos de menor densidad y potencia. 5. RECOMENDACIONES. Los resultados de la presente investigación constituyen un punto de partida en el conocimiento del comportamiento dinámico de los suelos en el área. Se recomienda realizar estudios de mecánica de suelos específicos, según el problema de cargas impuestas al terreno, como también estudios de prospección geofísica para determinar la velocidad de onda de corte (Vs). Es importante completar una red de monitoreo sismológico que permita calcular, en forma más precisa, las aceleraciones máximas efectivas, para las distintas zonas sismológicas definidas en la Norma Chilena Oficial de Diseño sísmico de edificios – NCh 433.Of96 mod. 2009. Se sugiere definir las zonas de seguridad frente a evento de tsunami, para lo cual se debería considerar una cota superior de 30 m s.n.m. Esto con el objetivo de preparar a la población en riesgo, activando y ejercitando los correspondientes planes de evacuación. El conjunto de esta información tendría que ser incorporada en la actualización de los instrumentos de planificación territorial del área, en este caso, el Plan Regulador Comunal de San Pedro de la Paz. REFERENCIAS Ilustre Municipalidad de San Pedro de la Paz, 2010 (a). Catastro de daños del sismo del 27 de febrero de 2010. Inédito. Ilustre Municipalidad de San Pedro de la Paz, 2010 (b). Estudio de riesgos naturales y Antrópicos. Inédito [en línea]. [Fecha de consulta: 12 de Julio de 2012]. Disponible en: http://www.sanpedrodelapaz.cl/documentos/estudios_riesgo.pdf Gajardo, A. 1980. Hoja Concepción – Chillán. Escala 1: 250.000. Carta Geológica de Chile Nº4, Preliminar. Instituto de Investigaciones Geológicas. Leyton, F.; Montalva, G.; Ramírez, P. 2011. Towards a seismic microzonation of Concepción urban area based on microtremors, surface geology, and damage observed after the Maule 2010 earthquake. First Results. En simposio internacional Effects of Surface Geology on Seismic Motion. Universidad de California Santa Barbara. Inédito. Nakamura, Y. 1989. Method for Dynamic Characteristics Estimation of Subsurface using Microtremor on the Ground Surface. Q. Rep. Railway Tech. Res. Inst. Japan, 30, pp. 25-33.

Ramírez, P.; Vivallos, J.; Cáceres, D.; Fonseca, A. 2012. Microzonificación Sísmica de San Pedro de la Paz, Región del Biobío. Servicio Nacional de Geología y Minería, Carta Geológica de Chile, Serie Geología Ambienta, 3 mapas en una hoja escala 1:20.000. Santiago. (En edición) Mendoza, L. 2001. Distribución, caracterización, génesis y características tectónicas de los yacimientos arenas silíceas del área costera de la octava región, entre Coliumo y Los Álamos. Memoria para optar al título de Geólogo. Universidad de Concepción, Departamento Ciencias de la Tierra. 181 pp. Concepción. Ulloa, L. 2007. Susceptibilidad de los Suelos a la Licuación en la comuna de San Pedro de la Paz. Memoria de título Ingeniería Civil, Universidad del Biobío. Concepción-Chile. Yauri, S. 2006. Universidad de Nacional de San Agustín, Perú. Microtremores Compendio de Trabajos de Investigación CNDG – Biblioteca Instituto Geofísico del Perú. V7. p. 43 -56. [en línea] [Fecha de consulta: 31 de agosto de 2012]. Disponible en: http://www.igp.gob.pe/sismologia/servicios/biblioteca_cndg/compendio/rev2005.pdf/cndg_sheila_ver2.pdf