Importancia de una alerta temprana en caso de terremoto para edificaciones esenciales vulnerables: un posible ejemplo para Costa Rica
Marino Protti, Director, Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica Universidad Nacional, (OVSICORI-UNA)

En países en vías de desarrollo existen tantas estructuras esenciales sísmicamente vulnerables que es prácticamente imposible reforzarlas todas antes de la ocurrencia de un futuro terremoto. Es por esta razón, que un sistema que alerte a los ocupantes de estructuras vulnerables, que aún no han sido reforzadas, pocos segundos antes del arribo de las ondas sísmicas, podría salvar muchas vidas.

Una brecha sísmica madura existe por debajo y frente a la península de Nicoya en el Pacífico norte de Costa Rica. Esta brecha, la brecha sísmica de Nicoya, es un segmento de la Fosa Mesoamericana donde la placa del Coco se subduce bajo la placa del Caribe. Terremotos de gran magnitud han ocurrido en este segmento en 1853, 1900 y 1950. La distribución de réplicas de terremotos ocurridos en la década de los 90s en los segmentos aledaños a esta brecha han permitido afinar su ubicación geográfica y determinar sus dimensiones. Sin deslizamiento sísmico importante desde 1950, con una taza de convergencia de 88 mm/año y un área comprendida entre los 5000 y los 10000 km2, la brecha sísmica de Nicoya tiene ya potencial para generar un terremoto con magnitud cercana a los 7.5 grados.

El Valle Central de Costa Rica, donde se ubica la mayor concentración de población e infraestructura de ese país, se encuentra entre 100 y 250 km de distancia del área potencial de ruptura de la brecha sísmica de Nicoya. Estas distancias están dentro del rango de sistemas de alerta temprana para terremotos, que han probado ya ser efectivos, haciendo de esta región un excelente sitio para la operación de uno de esos sistemas de alerta. Un sistema de alerta temprana no debe ser visto como una sustitución a un programa de reforzamiento de estructuras vulnerables sino más bien como un complemento a este.

Programas de identificación y reforzamiento de edificaciones esenciales sísmicamente vulnerables están siendo ejecutados en muchos países de Latinoamérica. Dado el costo de estos, será prácticamente imposible reforzar (o demoler) todas esas estructuras antes del próximo terremoto. En Costa Rica, a pesar de que se cuenta con un buen código de construcción, la ocurrencia, durante la década de los 90’s, de varios sismos de gran magnitud debilitó muchas estructuras las cuales podrían sufrir daños estructurales importantes o colapsar durante el próximo terremoto y sus réplicas. Si contáramos con un sistema que, al momento de ocurrir un sismo, pudiera alertar a los ocupantes de esas edificaciones vulnerables, algunos segundos antes del arribo de las ondas sísmicas, podríamos reducir el número de personas afectadas e inclusive hasta salvar algunas vidas. Aún algunos pocos segundos podrían ser suficientes para que la gente pueda desplazarse hacia zonas más resistentes del edificio, y en algunos casos, hasta suficiente tiempo para efectuar una evacuación ordenada. Esto definitivamente requiere de la identificación previa de esas zonas más fuertes del edificio y de la preparación y práctica de planes de acción en caso de terremotos.

Debido a que no solo en el Pacífico Norte ocurren sismos fuertes en Costa Rica, la instalación de más sensores a lo largo de todo el Pacífico permitiría alertar al Valle Central prácticamente de cualquier evento de magnitud importante que ocurra a lo largo de la zona de subducción.

Marco tectónico

La tectónica regional de América Central está controlada principalmente por el choque de las placas del Coco y del Caribe (Fig. 1). Como consecuencia de esta colisión la placa oceánica del Coco se subduce por debajo de la placa del Caribe, a lo largo de la Fosa Mesoamericana, a velocidades que van desde 70 mm por año frente a Guatemala hasta poco más 90 mm por año frente a la península de Osa [Protti, 1994, calculado a partir de De Mets et al., 1990](Fig. 2). Es a lo largo de este límite de placas donde ocurren la mayoría de los terremotos de gran magnitud en Costa Rica.

En el extremo suroeste de la placa Caribe las condiciones locales de esfuerzos tectónicos han provocado la fracturación de ella y la creación de una micro placa, denominada bloque de Panamá, con límites aún no muy bien desarrollados. El límite norte del bloque de Panamá con la placa Caribe es un margen convergente conocido como el Cinturón Deformado del Norte de Panamá [Silver et al., 1990] el cual se extiende desde las costas del Caribe de Colombia hasta Limón, Costa Rica (Fig. 1 y 2). Fue en el extremo oeste de este límite donde ocurrió el terremoto de Limón de 1991. Hacia el noroeste el contacto entre el bloque de Panamá y la placa Caribe consiste en una zona difusa de fallamiento de deslizamiento lateral izquierdo que corre desde Limón hasta la Fosa Mesoamericana a través de la parte central de Costa Rica [Ponce y Case 1987, Jacob y Pacheco 1991, Güendel y Pacheco 1992, Goes et al., 1993, Fan et al., 1993, Marshall et al., 1993, Fisher et al., 1994, Protti y Schwartz 1994]. El bloque de Panamá comprende así la parte sur de Costa Rica y todo Panamá.

Figura 1. Ubicación tectónica de Costa Rica

Al sur de la península de Burica se encuentra la zona de fracturas de Panamá. Este sistema de fallas de corrimiento lateral derecho constituye el límite entre las placas del Coco y de Nazca. Al oeste de la zona de fracturas de Panamá se encuentra la cordillera submarina del Coco la cual se subduce bajo la península de Osa. La cordillera del Coco es la traza o cicatriz formada en la placa del Coco por el punto caliente de las islas Galápagos.

Este ambiente tectónico hace que Costa Rica sea una región sumamente activa en términos de sismicidad, con fuentes sísmicas, de diferentes génesis y profundidades, dispersas por todo el país. Desde abril de 1984 el Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica, Universidad Nacional (OVSICORI-UNA) ha venido registrando actividad en todas estas fuentes sísmicas y ha localizado más de 50000 sismos en casi 15 años.

Figura 2. Segmentación de la zona de subducción frente a Costa Rica

De todas esas fuentes sísmicas la zona de subducción en la costa del Pacífico es la más activa en número y magnitud de temblores. La distancia de estas fuentes con respecto al Valle Central hace que sistemas de alerta temprana puedan ser implementados y tengan gran probabilidad de éxito.

Definición del problema

Las brechas sísmicas han sido definidas como aquellos segmentos de límites activos de placas que no han experimentado la repetición de un sismo de gran magnitud por varias décadas y que por lo tanto son considerados como posibles sitios para la ocurrencia de terremotos futuros (Nishenko, 1985). Las brechas sísmicas representan así un espacio y tiempo sin liberación de grandes cantidades de energía sísmica.

La ausencia de un terremoto importante desde octubre de 1950 en el segmento de Nicoya y la ocurrencia de los sismos de 1990, a la entrada al Golfo de Nicoya al SE, y de 1992, frente a Nicaragua al NO, han permitido detallar la extensión temporal y geográfica de lo que definen Protti et. al.; 1999, como la brecha sísmica de Nicoya. Tanto la magnitud de los terremotos anteriores en este segmento, como su actividad sísmica anómalamente baja durante el período intersísmico nos brindan información adicional sobre las características de un futuro terremoto por debajo de la península de Nicoya.

Sismos de gran magnitud han ocurrido en el segmento de Nicoya en 1853, 1900 y 1950. Esto nos da un período de recurrencia de 48 años a 1997 y de 50.7 años al año 2005, con desviaciones estándar de 1.73 y 4.04 respectivamente.

El sismo del 25 de marzo de 1990 a la entrada al golfo de Nicoya ocurrió en el extremo NO del segmento Cóbano-Herradura y su ruptura tanto cosísmica como durante las réplicas se propagó unidireccionalmente hacia el SE (Protti et al., 1995). Esto no solo nos marca claramente el límite SE de la brecha sísmica de Nicoya sino también nos da información sobre el contraste brusco en acople entre las placas, que existe entre el segmento de Nicoya y el de Cóbano-Herradura, ya que ni siquiera un sismo de magnitud 7.0, justo en el límite, fue capaz de iniciar la ruptura de la brecha sísmica de Nicoya (Protti et al., 1995b). El límite NO de la brecha sísmica de Nicoya lo marca la secuencia de réplicas del sismo de Nicaragua del 2 de setiembre de 1992 (Fig. 3). Ese sismo ocurrió en la parte NO del segmento Nicaragua-Papagayo y sus réplicas se propagaron hacia el SE deteniéndose súbitamente en el extremo NO de la península de Nicoya. El sismo de Sámara del 23 de agosto de 1978 (Mw=6.8) ocurrió en la parte central del segmento de Nicoya (Güendel, 1986) y rompió un área hacia la trinchera de menos del 15% del área total de este segmento. La máxima extensión hacia el arco volcánico, de esta brecha sísmica, corresponde con el eje del golfo de Nicoya (Protti, 1991), donde el plano de falla alcanza casi los 40 km. de profundidad. Con base en la experiencia de los sismos de 1990 y 1992, y en las re localizaciones de las réplicas del sismo de 1950 (Güendel, 1986), hacia la trinchera, el área de acople elástico comienza a unos 15 km de ésta, a profundidades cercanas a los 5 km. Sin embargo, dada su magnitud potencial, el futuro terremoto en este segmento podría propagar la ruptura hasta la trinchera.

Fig. 3 Area potencial de ruptura de la brecha sísmica de Nicoya

Sistema de Alerta Temprana

Los sistemas de alerta temprana en caso de terremotos están conceptualizados y operan tomando ventaja de la diferencia entre la velocidad de las ondas sísmicas (3-7 km/s) y la velocidad de las ondas de radio (cercana a la velocidad de la luz, i.e. ~300000 km/s). Al momento de ocurrir y detectar un sismo, es posible enviar una señal de radio a distancias donde se recibiría mucho antes del arribo de las ondas sísmicas. El intervalo de tiempo entre el arribo de las ondas de radio y la llegada de las ondas sísmicas, será mucho mayor cuanto más cercano al epicentro instalemos el detector y cuanto más alejado esté el receptor de la señal de radio.

El sistema consiste en una red de instrumentos de registro de movimientos fuertes (acelerómetros) alrededor de la fuente sísmica, radios de comunicación que transmiten la señal a un centro de control, un algoritmo de identificación de eventos y cuantificación de su tamaño y un radio de transmisión de la señal de alerta en caso que se determine que se trata efectivamente de un sismo importante. El algoritmo de identificación de eventos podría estar en el campo, como parte de la estación de registro o en el centro de control. Una condición necesaria para el disparo de una alerta es que más de una estación detecte y declare el evento. Esta redundancia es necesaria para reducir el número de falsas alarmas producto de ruidos locales, problemas electrónicos y/o de interferencia en la transmisión de la información.

Para que cualquier sistema de alerta temprana sea eficiente es estrictamente necesaria una preparación intensa de la población de tal forma que sepa cómo actuar al momento de la alarma. Previo y simultáneamente con la instalación de un sistema de alerta hay que identificar y practicar cada paso a seguir cuando se reciba la alerta. Para esto es necesario realizar simulacros y establecer una rutina de práctica en las cuales tanto las personas como los sistemas automatizados aprendan a identificar el tono de la alerta. La respuesta efectiva de la población en caso de terremotos y aún en casos de falsa alarma, debe ser el componente más importante de todo sistema de alerta temprana.

Sistemas de alerta temprana en caso de terremotos operan y han probado ser efectivos en varios países. Ejemplos de estos, con condiciones tectónicas similares a las nuestras (zonas de subducción activas) son el de México (Espinosa Aranda, et al., 1995), el de Japón (Nakamura, 1985) y el de Taiwán (Lee et al., 1995).

No siempre se sabe dónde puede ocurrir un sismo fuerte, y en muchos lugares estos ocurren mar adentro donde es bastante difícil instalar sensores sísmicos. También, aún cuando a muy largas distancias (> 600 km) el intervalo de alerta es mucho mayor (> 2 minutos), la atenuación de las ondas sísmicas a esas distancias es tal que a su arribo no causarían mayores daños.

En Costa Rica conocemos una fuente sísmica bajo la península de Nicoya con potencial para producir terremotos de magnitud importante (Protti et. al. 1999). La ubicación de esta fuente sísmica nos permite instalar instrumentos de detección bastante cercanos a ella y su distancia con respecto a los mayores centros de población e infraestructura permite dar una alerta en lugares donde la energía sísmica aún no ha sido muy atenuada y por lo tanto podría causar daños importantes.

Además de esta fuente sísmica, toda la región del Pacífico de Costa Rica ha presentado históricamente sismos de magnitud importante producto del proceso de subducción y su distancia con respecto al Valle Central hace que sistemas de alerta temprana puedan ser implementados y tengan también gran probabilidad de éxito.

Se propone aquí el diseño de un sistema de alerta temprana que permita el disparo de una alarma en el Valle Central varios segundos antes del arrivo de las ondas sísmicas generadas por un terremoto en el Pacífico de Costa Rica. En el caso de la brecha sísmica de Nicoya, por ejemplo, este sistema está basado en una red de 12 acelerómetros distribuidos, con una separación no mayor que 40 km, en toda la península de Nicoya (círculos negros en las Fig. 4 y 5) (Protti et. al., 1998).

Figura 4. Tiempos de alerta temprana (en segundos) para arrivo
a San José de ondas P.

Los acelerómetros estarían enviando su registro en tiempo real al centro de control en las instalaciones del OVSICORI-UNA en Heredia. Ahí un algoritmo de identificación de eventos procesará la señal de cada estación por separado para determinar si un evento ha ocurrido y estimar su magnitud con base en la taza de crecimiento del evento. Si la condición de evento fuerte se cumple para más de una estación el sistema dispararía una alarma que sería transmitida por ondas de radio a todo el Valle Central y que podría ser registrada por receptores convencionales. Estos receptores, de tipo radiolocalizador, podrán ser adquiridos por centros educativos, empresas públicas y privadas, medios de comunicación colectiva y cualquier individuo que quiera comprarlo.

Figura 5. Tiempos de alerta temprana (en segundos) para arrivo
a San José de ondas S.

El intervalo de tiempo disponible entre el instante en que se dispara la alarma y el momento en que llegan las ondas sísmicas depende del lugar donde se inicie la ruptura y del lugar donde se recibe la alerta. Cuanto más cerca al Valle Central se inicie el sismo, menor será ese intervalo de tiempo. De igual manera, cuanto más cerca a la península se reciba la señal de alarma menor será también ese intervalo.

En las Fig. 4 y 5 se muestran los resultados del modelaje de los intervalos de tiempo entre el momento de detección del sismo por dos estaciones en el campo y la llegada de las ondas sísmicas P y S a la ciudad de San José, respectivamente. Esos intervalos de tiempos están graficados dependiendo de donde se inicie la ruptura de un futuro terremoto en la brecha sísmica de Nicoya. Para saber en realidad de cuanto tiempo se dispone entre el momento de disparo de la alarma y la llegada del terremoto, es necesario sustraer a esos valores el tiempo requerido por el algoritmo de detección en la identificación del evento. Según la experiencia en México, ese intervalo es del orden de 5 segundos y podría disminuir con el uso de procesadores más veloces y algoritmos más efectivos.

Para mayor información contactar a:
Marino Protti, Director, Observatorio Vulcanológico y
Sismológico de Costa Rica
Universidad Nacional, (OVSICORI-UNA)
Tel (506) 261-0781, Fax (506) 261-0303
jprotti@una.ac.cr

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