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• Pilar Enma Condori Carrillo

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ORIGEN Y TIPOS DE ONDAS SISMICAS

1. INTRODUCCION Dado que la Tierra o cualquier otro cuerpo planetario puede ser considerado como un objeto elástico es un medio adecuado para la propagación de ondas. Una perturbación como un terremoto en cualquier punto de la Tierra, produce ondas energéticas conocidas como ondas sísmicas. Durante un terremoto, la energía es liberada en forma de ondas que viajan desde el punto del origen del terremoto en un lugar llamado foco. Las ondas sísmicas se originan en el foco. Las ondas sísmicas causan un temblor intenso en la superficie de la Tierra, estos temblores pueden derrumbar edificios y carreteras. No todas las ondas sísmicas son iguales. Hay varios tipos, y cada tipo de onda sísmica tiene un movimiento único. Aun cuando hay diversos tipos de ondas sísmicas y cada uno tiene su forma única de moverse. Recuentos de lo que es experimentar un terremoto, generalmente describen ondas en la superficie, debido a que éstas son más notables en la superficie de la Tierra. La corteza de la Tierra como objeto sólido que es, soporta ondas a su través llamadas ondas de cuerpo (o internas), y en la superficie (ondas superficiales). En un material sólido estas ondas pueden ser tanto ondas longitudinales, como ondas transversales. En las ondas sísmicas a través del material, las ondas longitudinales o de compresión se llaman ondas P (de ondas "primarias"), mientras que las ondas transversales se llaman ondas S (ondas "secundarias").

2. SISMOLOGIA Estudio de las ondas sísmicas, la sismología (seismos = sacudida; ology = estudio de), data de los intentos realizados por los chinos, hace casi 2.000 años, para determinar dirección desde la que se originaban dichas ondas. El sísmico utilizado por los chinos era una gran jarra hueca que probablemente contenía una masa suspendida desde la tapa. Esta masa suspendida (similar al péndulo de un reloj) estaba conectada de alguna manera con las mandíbulas de varias figuras de dragones que rodeaban en círculo el envase. Las mandíbulas de cada dragón sostenían una bola de metal. Cuando las ondas de los terremotos alcanzaban el instrumento, el movimiento relativo entre la masa suspendida y la jarra

desalojaría algunas de las bolas de metal que caen en las bocas abiertas de las ranas situadas justo debajo.

Antiguo sismógrafo chino. Durante un temblor de tierra, los dragones situados en la dirección de las vibraciones principales tiraban una bola en las bocas de las ranas de debajo.

Probablemente, los chinos eran conscientes de que el primer gran movimiento del terreno producido por un terremoto es direccional y que, si es lo bastante intenso, todos los artículos sujetos débilmente se caerían en la misma dirección. Aparentemente, los chinos utilizaron este hecho junto con la posición de las bolas desalojadas, para detectar la dirección de procedencia de un terremoto. Sin embargo, el complejo movimiento de las ondas sísmicas hace improbable la determinación con cierta regularidad de la dirección real de propagación del terremoto. En principio al menos, los sismógrafos (seísmos: sacudida; graph: escribir) modernos eran instrumentos que registran las ondas sísmicas, no eran muy diferentes de los dispositivos utilizados por los chinos antiguos. Estos dispositivos tienen una masa suspendida libremente de un soporte que se fija al terreno. Cuando la vibración de un terremoto lejano alcanza el instrumento, la inercia* (iners: perezoso) de la masa suspendida la mantiene relativamente estacionaria, mientras que la Tierra y el soporte se mueven. El movimiento de la Tierra con respecto a la masa estacionaria se registra en un tambor giratorio o una cinta magnética.

Los terremotos causan movimiento vertical y horizontal del terreno; por consiguiente, se necesita más de un tipo de sismógrafo. El instrumento mostrado en la Figura, está diseñado para permitir la oscilación de la masa de un lado a otro y, de este modo, la detección del movimiento horizontal del terreno. Normalmente, se utilizan dos sismógrafos horizontales, uno orientado de norte a sur y otro de este a oeste. El movimiento vertical del terreno puede detectarse si la masa se suspende de un muelle, como se muestra en la Figura.

Los registros obtenidos con los sismógrafos, denominados sismogramas (seismos = sacudida; gramma : lo que está escrito), proporcionan mucha información relativa al comportamiento de las ondas sísmicas. Dicho sencillamente, las ondas sísmicas son energía elástica que irradia en todas

las direcciones desde el foco. La propagación (transmisión) de esta energía puede compararse con la sacudida que experimenta la gelatina en un tazón cuando se coge una cucharada. La gelatina tendrá un solo modo de vibración, pero los sismógrafos revelan que el deslizamiento de una masa de roca genera dos grupos principales de ondas sísmicas. Uno de esos grupos de ondas que viajan sobre la parte externa de la Tierra se conoce como ondas superficiales. Otros viajan a través del interior de la Tierra y se denominan ondas de cuerpo, Las ondas de cuerpo se dividen a su vez en dos tipos, que se denominan ondas primarias o P y ondas secundarias o S. Las ondas de cuerpo se dividen en ondas P y S por su modo de viajar a través de los materiales. Las ondas P son ondas que empujan (comprimen) y tiran (expanden) de las rocas en la dirección de propagación de la onda. Imaginemos que sujetamos a alguien por los hombros y lo sacudimos. Este movimiento de tirar y empujar es similar a como se desplazan las ondas P a través de la Tierra. Este movimiento ondulatorio es análogo al generado por las cuerdas vocales humanas cuando mueven el aire para crear el sonido. Los sólidos, los líquidos y los gases se oponen a un cambio de volumen cuando son comprimidos y recuperarán elásticamente su forma cuando cesa la fuerza. Por consiguiente, las ondas P, que son ondas compresivas, pueden atravesar todos esos materiales. Por otro lado, las ondas S , las partículas en ángulo recto con respecto a la dirección en la que viajan. Esto puede ilustrarse sujetando el extremo de una cuerda y sacudiendo el otro extremo, como se muestra en

Observando un registro sísmico “típico”, como el mostrado en la Figura, puede verse una importante diferencia entre estas ondas sísmicas: las ondas P son las primeras en llegar a la estación de registro; luego llegan las ondas S; y luego las ondas superficiales. Esto es consecuencia de sus velocidades. A modo de ejemplo, la velocidad de las ondas P a través del granito del interior de la corteza es de unos 6 kilómetros por segundo. Bajo las mismas condiciones, las ondas S viajan a 3,6 kilómetros por segundo. Diferencias de densidad y en las propiedades elásticas de las rocas influyen mucho en las velocidades de las ondas. En general, en cualquier material sólido, las ondas P viajan aproximadamente 1,7 veces más deprisa que las ondas S, y cabe esperar que las ondas superficiales viajen al 90 por ciento de la velocidad de las ondas S. Además de las diferencias de velocidad, en la Figura se observa también que la altura, o, expresado de una manera más correcta, la amplitud de esos tipos de onda varía. Las ondas S tienen una amplitud ligeramente

mayor que las ondas P mientras que las ondas superficiales, que causan la mayor destrucción, tienen una amplitud incluso mayor Dado que las ondas superficiales están confinadas a una región estrecha próxima a la superficie y no se propagan por el interior de la Tierra como las ondas P y S, conservan su máxima amplitud durante más tiempo.

Las ondas superficiales tienen también períodos más largos (intervalo de tiempo entre las crestas); por consiguiente, se suele hacer referencia a ellas como ondas largas o ondas L. Como veremos, las ondas sísmicas son útiles para determinar la localización y la magnitud de los terremotos. Además, proporcionan una herramienta para estudiar el interior de la Tierra.

3. ONDAS SISMICAS Las ondas sísmicas son un tipo de onda elástica fuerte en la propagación de perturbaciones temporales del campo de tensiones que generan pequeños movimientos en las placas tectónicas. Las ondas sísmicas pueden ser generadas por movimientos telúricos naturales, los más grandes de los cuales pueden causar daños en zonas donde hay asentamientos urbanos. Existe toda una rama de la sismología, que se encarga del estudio de este tipo de fenómenos

físicos. Las ondas sísmicas pueden ser generadas también artificialmente, por ejemplo, el uso de explosivos o camiones.

4. ORIGEN

5. TIPOS Al ocurrir un terremoto, las ondas sísmicas se propagan en todas direcciones partiendo desde el hipocentro. Sin embargo, no todos los tipos de ondas son iguales ya que existen diferencias importantes entre ellas. Las ondas sísmicas se clasifican en dos grandes grupos de acuerdo a la forma de propagación en la tierra: ondas de cuerpo y ondas superficiales.

5.1. ONDAS DE CUERPO Se llaman así porque estas tienden a viajar a través del interior del planeta (adentrándose incluso a grandes profundidades). Las ondas superficiales, por el contrario, viajan a lo largo de la superficie de la Tierra y no tienden a adentrarse a capas profundas. Mientras que las ondas de cuerpo siempre aparecen en los sismogramas, las ondas superficiales solo aparecen en aquellos registros de terremotos cuyo hipocentro no haya sido muy profundo. Las ondas de cuerpo se subdividen a su vez en dos tipos: -

Ondas P u ondas primarias Ondas S u ondas secundarias

5.1.1. ONDAS PRIMARIAS (P) Las ondas P se llaman así por ser las que primero se registran en un sismograma (son las más veloces). Las ondas P son ondas longitudinales, lo cual significa que el suelo es alternadamente comprimido y dilatado en la dirección de la propagación. Estas ondas generalmente viajan a una velocidad 1.73 veces de las ondas S y puesto que cualquier material fluido sólido ó líquido,

está sujeto a compresión, las ondas P, pueden viajar a través de cualquier clase de material. Velocidades típicas son 330m/s en el aire, 1450m/s en el agua y cerca de 5000m/s en el granito. Las ondas P en el aire son simplemente ondas sonoras y la velocidad del sonido es sobre 340 m/s a temperatura ordinaria. El agua puede soportar ondas P, pero no ondas S. La velocidad de estas ondas P (velocidad del sonido) en agua es unos 1450 m/s. Las ondas P, dependen del módulo de bulk de elasticidad del material, así como de su densidad. La velocidad de onda en un material sólido como el granito, puede ser unos 5000 m/s. Las ondas P de los terremotos llegan primero, pero debido a sus pequeñas amplitudes, no producen tanto daño como las ondas S y las ondas superficiales que le siguen. En un medio isótropo y homogéneo la velocidad de propagación de las ondas P es:

Donde:

√

4 K+ μ 3 v p= ρ

K = módulo de compresibilidad  = módulo de corte ρ = densidad del material

De estos tres parámetros, la densidad es la que presenta menor variación por lo que la velocidad está principalmente determinada por K y 

Las ondas P comprimen y dilatan el medio conforme se propagan.

5.1.2. ONDAS SECUNDARIAS Las ondas S (SECUNDARIAS) son ondas transversales o de corte, lo cual significa que el suelo es desplazado perpendicularmente a la dirección de propagación, alternadamente hacia un lado y hacia el otro. Las ondas S pueden viajar únicamente a través de sólidos debido a que los líquidos no pueden soportar esfuerzos de corte. Su velocidad es alrededor de 58% la de una onda P para cualquier material sólido. Usualmente la onda S tiene mayor amplitud que la P y se siente más fuerte que ésta. La velocidad de propagación de las ondas S en medios isótropos y homogéneos depende del módulo de corte  y de la densidad ρ del material.

v s=

√

μ ρ

Las ondas S lo cortan o cizallan.

5.2. ONDAS SUPERFICIALES 5.2.1. ONDAS RAYLEIGH También conocidas como rodillo de tierra, se desplazan como olas oceánicas sobre la superficie de la Tierra, moviendo la superficie del suelo hacia arriba y hacia abajo. Estas causan la mayoría de las vibraciones de la superficie del suelo durante un terremoto. Cuando un sólido posee una superficie libre, como la superficie de la tierra, pueden generarse ondas que viajan a lo largo de la superficie. Estas ondas tienen su máxima amplitud en la superficie libre, la cual decrece exponencialmente con la profundidad, y son conocidas como ondas de Rayleigh en honor al científico que predijo su existencia. La trayectoria que describen las partículas del medio al propagarse la onda es elíptica retrógrada y ocurre en el plano de propagación de la onda. Una analogía de estas ondas lo constituyen las ondas que se producen en la superficie del agua.

Las ondas Rayleigh tienen un movimiento elíptico retrógrado,

5.2.2. ONDAS LOVE Otro tipo de ondas superficiales son ondas de Love llamadas así en honor del científico que las estudió. Son ondas superficiales que se mueven de lado a lado. Estas se generan sólo cuando un medio elástico se encuentra estratificado, situación que se cumple en nuestro planeta pues se encuentra formado por capas de diferentes características físicas y químicas. Las ondas de Love se propagan con un movimiento de las partículas, perpendicular a la dirección de propagación, como las ondas S, sólo que polarizadas en el plano de la superficie de la Tierra, es decir sólo poseen la componente horizontal a superficie. Las ondas de Love pueden considerarse como ondas S "atrapadas" en la superficie. Como para las ondas de Rayleigh, la amplitud de las mismas decrece rápidamente con la profundidad. En general su existencia se puede explicar por la presencia del vacío o un medio de menor rigidez, tiende a compensar la energía generando este tipo especial de vibraciones.

Las ondas Love tienen un movimiento similar al de una serpiente.

5.3. SISMOGRAMA

Se muestra un sismograma. Cada tipo de onda se muestra con un color diferente. La parte antes del arribo de las ondas P se denomina pre-evento y por lo general está constituido por ruido ambiente (agitación del suelo por efectos del tránsito vehicular, el viento, etc. que es imperceptible para el hombre). Las ondas P son las primeras en llegar, ya que la velocidad promedio de propagación es casi dos veces mayor a la de las ondas S. Las ondas S se diferencian de las ondas P en que poseen mayor amplitud. La energía de las ondas se calcula en base a su amplitud. Por tanto, una onda de igual período pero mayor amplitud poseerá una mayor cantidad de energía. Las ondas S son por tanto las que transportan la mayor cantidad de la energía de un sismo. Esto significa también que la mayoría de los daños producidos a estructuras será debido a las ondas S (las responsables de la fuerza de la sacudida). Las ondas superficiales viajan a velocidades mucho menores que las velocidades a las que viajan las ondas P y S. Son ondas que, al igual que las ondas S, poseen amplitudes mayores a las de las ondas P, pero sus períodos son mucho más largos. En la Figura se muestra solamente la onda L, esto porque el registro mostrado corresponde al de una componente horizontal. La coda es la parte del sismograma que decae conforme pasa el tiempo hasta llegar al nivel original del pre-evento cuando los otros tipos de ondas han pasado. La coda puede llegar a durar un tiempo significativo dependiendo del tamaño del sismo.