Laboratorio de Ingeniería Sísmica
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2011-03-14 00:00:00
Terremoto de Japón del 11 de marzo del 2011
Terremoto de Japón del 11 de marzo del 2011
Laboratorio de Ingeniería Sísmica (INII-UCR)

Japón está ubicado en una zona tectónica muy activa. A nivel mundial, el 20% de todos los sismos mayores a 6.0 ocurre en ese país. Esta figura, tomada de http://sparc1038.jishin.go.jp/main/yosokuchizu/tohoku/tohoku.htm, muestra los sismos que han sido registrados a lo largo del tiempo en la zona donde ocurriría el evento del 11 de marzo del 2011. Cada punto es un sismo fuerte (magnitud superior a 7) y los círculos las áreas aproximadas de ruptura de los sismos más recientes (cuando ya se podían registrar mediante equipos sismológicos).

Figura 1. Sismos con M>7 al norte de Japón.

Se esperaba la ocurrencia de un sismo de magnitud 7.5 más cerca a la costa ( http://outreach.eri.u-tokyo.ac.jp/eqvolc/201103_tohoku/eqvolc201103_tohoku-eng/ ), pero el sismo ocurrido el 11 de marzo fue mucho más grande. Sin embargo, un evento similar de entre 8.1 y 8.4 grados afectó la misma región en 1933 y también generó un tsunami.

En el año 869 sucedió otro terremoto que los investigadores de la Universidad de Osaka, Tohoku y Tokio creen que pudo haber sido el más grande que ocurriera en Japón. Ellos se basaron en la evidencia de un tsunami que pudo haber afectado las regiones de Miyagi hasta Fukushima e incluso Iwate. La magnitud estimada de ese sismo fue de 9.0, bastante similar al ocurrido en el presente.

La figura 2 muestra la distribución de los sismos dos días antes del evento principal. Estos son catalogados como "precursores" porque sucedieron antes del evento mayor. El primero ocurrió a las 02:45:20 del día 9 de marzo y tuvo una magnitud de 7.2. Luego sucedieron al menos 20 sismos de magnitudes de entre 4.5 y 5.6 grados. A las 18:16:15 del mismo día también ocurrió una serie de sismos con magnitudes de 6.1, 6.0, 4.9, 6.1. El día 10 de marzo, la actividad se mantiene entre los 4.5 y 5.7 grados para finalmente culminar con el sismo principal de Mw 8.9 el día 11 de marzo. La profundidad del foco o hipocentro es de 24 km.



Figura 2. Sismos ocurridos entre el 9 y 11 de marzo antes del evento de Mw 8.9 (mostrado como una estrella)

La figura 3 muestra todos los eventos registrados con magnitudes superiores a los 4.5 grados luego del evento principal (estrella roja). Observando la distribución de las "réplicas" (que es como se denominan los sismos de menor magnitud que suceden luego de un evento grande) se puede decir que el sismo se ubica casi en el centro de la zona de falla, ligeramente más hacia el norte. La réplica de mayor magnitud alcanzó un valor de 7.1 grados según datos del USGS.

Figura 3. Sismos ocurridos desde el 11 al 12 de marzo luego de romper el evento de Mw 8.9 (mostrado como una estrella).


La siguiente figura es un modelo de como se movió cada bloque de la falla según cálculos por computadora. Está tomado del USGS y fue creado por Gavin Hayes. En color rojo está el valor de desplazamiento máximo que según la escala fue de 17.5 metros. En las zonas en verde fue menor hasta llegar al color blanco que corresponde a 0 metros. La zona de mayor desplazamiento relativo de los bloques al centro de la falla puede medir uno 300 km de largo por 35 km de profundidad. Sin embargo, la zona total de ruptura fue de unos 570 km de largo por 50 km de profundidad. Los números a lo largo de las líneas de contorno son el tiempo en segundos del avance del frente de ruptura.



Figura 4.
Modelo matemático del desplazamiento de las partículas a lo largo de la falla del terremoto de Mw 8.9 calculado por el Dr. Gavin Hayes del USGS.

Otro investigador llamado Yuji Yagi de Japón (http://www.geol.tsukuba.ac.jp/~yagi-y/EQ/Tohoku), también realizó un estudio similar y concluyó que el desplazamiento máximo pudo haber alcanzado los 23 metros. El superpuso su modelo de movimiento de la falla sobre el mapa de Japón y se puede ver en la figura 5.



Figura 5. Modelo matemático del desplazamiento de las partículas a lo largo de la falla del terremoto de Mw 8.9 calculado por el Dr. Yuji Yagi de la Universidad de Tsukuba, Japón.

La figura 6 es una animación del Dr. Yagi de la forma en que se propaga la ruptura de la falla en el tiempo. Observen que el tiempo total es de más de 2 minutos. La escala de colores muestra el desplazamiento de los bloques de falla según avanza la ruptura.


Figura 6. Animación de la ruptura de la falla por el Dr. Yuji Yagi de la Universidad de Tsukuba.

La figura 7 es una comparación a escala de la zona de falla en superficie y el tamaño de Costa Rica. Tal como se aprecia, un sismo de las dimensiones del ocurrido en Japón sobreparasaría el área total de nuestro país. Es decir, ¡tendríamos réplicas en prácticamente todo el territorio nacional y un poco más allá!



Figura 7. Comparación del tamaño de la zona de réplicas del terremoto de Japón con el área de Costa Rica.


Los siguientes mapas (tomadas de http://www.jishin.go.jp/main/oshirase/201103111446sanriku-oki.gif) muestran los valores de intensidad en la escala japonesa. En Costa Rica utilizamos la escala de Intensidad de Mercalli que tiene valores que van de 1 a 12 y que denotamos con números romanos (I a XII). En Japón, la escala de intensidad que se utiliza va de 1 a 7. La ubicación del epicentro se muestra como una equis (X) y se puede ver que los valores máximos fueron de entre 6 débil a 7 en algunos puntos. La mayoría tuvo valores altos cerca de la costa.


Figura 8a Intensidades del sismo de Japón según la escala japonesa JMA que va de 1 a 7.



Figura 8b. Intensidades del sismo de Japón según la escala japonesa JMA que va de 1 a 7. Los valores máximos se dan a lo largo de la costa.


El tsunami que generó el sismo del 11 de marzo produjo olas de hasta 10 m de altura en Japón, según la agencia de noticias Kyodo (Fig. 9). Este mapa muestra los tiempos y amplitudes estimadas de llegada de las olas del tsunami alrededor del Océano Pacífico. Los colores se refieren al tamaño de la ola que se esperaría. En el caso de Costa Rica, esa amplitud es de entre 0.05 y 0.10 metros.
(Tomado de http://news.bbcimg.co.uk/media/images/51638000/jpg/_51638289_japan-quake-time-map.jpg)



Figura 9. Modelo matemático de la proyección de propagación y tiempos de arribo del tsunami producido por el terremoto del 11 de marzo del 2011.

Ha llamado la atención que frente a las costas japonesas se formara un remolino (Fig 10a). Esto muy probablemente sucedió debido a la topografía del fondo marino que tiene influencia directa en la forma en que se propaga un tsunami. La enorme cantidad de agua desplazada por el terremoto viaja a la misma velocidad en mar abierto, pero dependiendo de los obstáculos que encuentre en el fondo marino cerca de la costa, una parte avanzará más rápido que otra y esto ocasionaría remolinos. Algo similar, probablemente sucedió con el tsunami del 2004 tal como se aprecia en la figura 10b.


Figura 10a. Remolino formado frente a las cosas de Japón debido al tsunami del 2011 (Foto tomada de la prensa).



Figura 10b. Remolinos formados frente a las costas de Sri Lanka por el tsunami del 2004 (
Foto tomada de la prensa).

La siguente figura fue tomada de http://supersites.earthobservations.org/sendai.php. Cada flecha es un punto de observación de GPS según lo preparó el Dr Mohamed Chlieh del Institutos Geoazur. Estas indican el movimiento del país desde el 2001 hasta el 2011. Observen como debido al empuje de las placas, Japón se estaba moviendo hacia la izquierda todos estos años.


Figura 11. Movimiento de Japón hacia la izquierda según medidas de GPS desde el 2001 hasta el 2011 previo a la ocurrencia del sismo de marzo.

Posterior al sismo, la energía se libera y Japón literalmente "rebota" hacia la derecha, tal como lo muestran estos resultados preliminares de la NASA. En total, el país se ha desplazado unos 2.5 metros.


Figura 11. Movimiento de las estaciones de GPS luego de la ocurrencia del sismo de marzo. La zona norte de la isla de Honshu (isla mayor de Japón) se ha movido unos 2.5 metros hacia la derecha producto de la liberación de las fuerzas tras el terremoto.

Un sismo de esta magnitud hace que se libere una cantidad enorme de energía y de presión. Anterior al sismo, las placas tectónicas a ambos lados ejercían presión una contra la otra haciendo que la circunferencia de la Tierra se "encogiera" (líneas rojas en la figura siguiente). Al ocurrir el terremoto, se libera esta presión y la circunferencia de la Tierra se "ensancha" (líneas negras en la siguiente figura). Este ensanchamiento produce que el día dure más porque el movimiento del planeta se desacelera (fracciones de segundo).


Figura 12. Esquema de la situación tectónica antes y después del terremoto de Sendai del 2011. Antes del sismo, las placas estaban bajo una presión muy grande que hacía que se "hundieran" mutuamente, acortando el diámetro de la Tierra. Luego del evento del 11 de marzo, la presión se libera y la tierra recupera su nivel original causando un leve incremento en la circunferencia del planeta.

Para comprender esto, vemos el ejemplo de un patinador sobre el hielo. Cuando este gira y tiene sus brazos cerrados, su rotación es mucho más rápida. Para detenerse, la persona extiende sus brazos y el movimiento se desacelera. En forma análoga, esto sucede cuando la Tierra libera la presión acumulada de grandes bloques a lo largo de zonas de subducción principalmente y por terremotos como el de Japón, Chile en el 2010 y por supuesto Sumatra en el 2004.


Figura 13. Un patinador sobre el hielo irá más rápido cuando tenga sus brazos junto a su cuerpo. Si los extiende, su velodidad disminuye. (Tomado de http://session.masteringphysics.com)

En el Laboratorio de Ingeniería Sísmica también se ha hecho un cálculo preliminar de los desplazamientos máximos del terremoto de Japón. Se ha utlizado datos de estaciones sismológicas del Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS) distribuidas a lo largo de todo el mundo. Se seleccionaron 22 de ellas tal como se muestra en este mapa.


Figura 14. Estaciones y registros sismológicos utilizados para calcular los parámetros del terremoto de Japón. La traza negra es el registro observado, la roja el calculado mediante programa de inversión desarrollado por los doctores Kikuchi y Kanamori.

Utilizando esos datos, se obtuvo la siguiente figura que muestra como existen dos zonas importantes (color rojo) en las que el movimiento fue mayor. A esas zonas se les denomina "asperezas" y es en ellas donde se libera la mayor cantidad de energía sísmica. El hipocentro, estrella verde en la figura, es el punto donde inicia el sismo, pero no donde se libera más energía. El desplazamiento máximo estimado en este cálculo es de 17 metros y la magnitud momento da un valor de Mw 9.0.


También a mano izquierda aparece un recuadro con el título "Liberación del Momento Sísmico". Este muestra que la mayor cantidad de energía liberada dentro de la falla ocurrió entre 60-80 segundos después de iniciado el terremoto. Posteriormente, esta decae en forma bastante rápida a los 100 segundos y se mantiene relativamente estable hasta los 140 segundos.


Figura 15. Cálculo preliminar de la liberación del momento sísmico llevada a cabo por el Laboratorio de Ingeniería Sísmica (INII-UCR). Los sismos que se presentan en el mapa corresponden a los eventos ocurridos desde el día 9 al 14 de marzo.


Los sismos que se sucedieron del 9 al 14 de marzo se muestran en este gráfico. En el se puede ver el primer sismo de Mw 7.2 que inició la secuencia de precursores. Luego ocurre el sismo de Mw 8.9 que dispara la sismicidad produciendo numersos sismos de Mw 5, 6 y hasta 7 grados.


Figura 16a. Orden de ocurrencia de los sismos desde el 9 al 14 de marzo. En total. ocurrieron 40 eventos de magnitud superior a 4.5 grados entre el evento de Mw 7.2 del 9 de marzo y el evento de Mw 8.9 del 11 de marzo.


Figura 16b. Sismos de magnitudes comprendidas entre 4.5 a 4.9


Figura 16c. Sismos de magnitudes comprendidas entre 5.0 a 5.9


Figura 16d. Sismos de magnitudes comprendidas entre 6.0 a 6.9


Figura 16e. Sismos de magnitudes comprendidas entre 7.0 a 7.9


El hipocentro se ubicó a 24 km de profundidad, pero otros sismos también ocurrieron en otras profundidades tal como se aprecia aquí. En el mapa superior se muestra un área en rojo que mide 500 km de largo por 300 de ancho. Si trazamos la profundidad desde la superficie hasta los 60 km, veríamos una figura similar a la de abajo en que en verde estarían los sismos superficiales, en amarillo y naranja, sismos hasta los 30 km y en rojo y negro, sismos superiores a los 30 km de profundidad. El tamaño de los círculos de la figura inferior es proporcional a la magnitud de estos. El evento de Mw 8.9 es el círculo más grande de color naranja.


Figura 17. Proyección de los epicentros de sismos ocurridos entre el 9 y 14 de marzo a profundidad.

El cálculo de la zona de ruptura llevada a cabo por este laboratorio se muestra superpuesta en el mapa de Japón. Las trazas rojas corresponden a los bordes de placas tectónicas.


Figura 18. Proyección en superficie del cáculo realizado por el Laboratorio de Ingeniería Sísmica de la ruptura del terremoto de Japón. La estrella negra es el hipocentro, ubicado a 24 km de profundidad.