Geología y Medioambiente
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Tres años del tsunami de Japón

Hace más de tres años que se produjo en Japón un importante terremoto de magnitud 9; uno de los mayores registrados en la historia. Ya de por sí, un terremoto de esta magnitud tiene efectos catastróficos, aunque una nación como Japón, acostumbrada a soportar los envites de la tierra, estaba y está a la vanguardia de los sistemas de protección antisismo. El gran Tsunami que sucedió al temblor desgraciadamente superó muchas de las medidas de protección disponibles y devastó la costa noroeste de la isla de Honsû. No se esperaba un temblor de semejante magnitud en la zona, al menos donde se produjo. Las previsiones de un temblor de fuerte magnitud en Japón se localizaban más al sur del país, en una latitud pareja a la gran conurbación de Tokio, donde la placa Filipina y la Euroasiática convergen. A día de hoy se sigue esperando un gran terremoto en la zona.

Las medidas de prevención y alerta de tsunamis existentes en Japón son de las más avanzadas del planeta, estas fueron efectivas en parte, pero dada la proximidad del epicentro a la costa, la población apenas tuvo tiempo a buscar refugio de las olas.

Las sirenas alertan de la inminente llegada del tsunami. Las zonas con riesgo a ser inundadas están delimitadas con señales indicadoras. Se señalizan la rutas de escape hacia las zonas protegidas a donde la población debe dirigirse. Estas zonas deben tener altitud suficiente, ser accesibles y estar lo más cerca posible de las áreas de riesgo.

Aparte de estas medidas implantadas hace años; Japón cuenta con un sistema tecnológico de alerta más novedoso, consistente en una red de sensores que detectan la formación de un tsunami, estos a su vez están conectados a las infraestructuras de telecomunicación, que son los que difunden la alerta. Teléfonos móviles, internet, televisión y radio…, están conectados a este sistema.

La agencia meteorológica del Japón es la encargada de calcular el riesgo y activar las alarmas. En menos de tres minutos se procesa la información procedente de los sismógrafos y las boyas, (sistema DART), y se emiten las alertas. Si antes de tres minutos no se tienen estimaciones numéricas, se emiten estimaciones cualitativas. Existen varias escalas de riesgo y en base a esto, los avisos son diferentes.

Sistema japonés de alerta por Tsunami

Sistema de alerta por Tsunami

Fuente: Japan Radio Co. ltd.

La información procesada por la agencia meteorológica de Japón, es emitida al sistema de satélites GMS (Geostationary Meteorological Satellite), que a su vez reenvía estos datos a los centros de alerta de tsunami locales. Mediante una alarma o zumbido, se alerta al personal de los centros, adjuntando información sobre el tamaño que se espera tenga el tsunami y la hora estimada de llegada a la localidad; la información se visualiza en pantalla y se imprime. Acto seguido, la información recibida se difunde simultáneamente a través de varias plataformas: megafonía emplazada en lugares estratégicos, aparatos de radio, teléfonos móviles, vehículos con megáfonos, televisores…

El sistema de defensa pasiva contra tsunamis está formado por barreras físicas como: diques, muros de contención, escolleras, sistemas de esclusas en ríos,… Estos sistemas fracasaron en su intento de contener el tsunami por varios motivos, el principal fue que se subestimó la altura del frente de olas que se generó; no se creía probable la formación de tsunamis de esa magnitud en la zona. Otra razón no menos importante, fue el hundimiento de la linea de costa entre 1 y 2 metros debido al terremoto, lo que mermó la efectividad de las defensas. Estas defensas si no cumplen su objetivo, son contraproducentes, debido a que no evitan el daño que pretenden paliar, son caras de construir y mantener, y crean una falsa seguridad entre la población, (muchos habitantes no evacuan la zona porque piensan que las barreras evitarán el daño).

Otro tipo de construcciones pensadas para las personas que no han podido irse a tiempo hacia zonas seguras, son las torres anti-tsunami. Muchos de los edificios de estructura moderna realizaron la función encomendada a estas torres, la gente las usó como refugio y les permitió sobrevivir al paso de la marea, con lo que este tipo de edificaciones sí resultan efectivas. Cierto tipo de edificios como, a modo de ejemplo,  parkings elevados o edificios de la administración, deberían de dimensionar sus estructuras para resistir el paso de un tsunami. No obstante, este tipo de estructuras se deben usar como último recurso.

 ¿Cómo se comportó el tsunami?

Cuando se escucha la palabra tsunami, lo primero que se nos viene a la mente es una ola gigantesca imparable, que inunda y penetra tierra adentro, esto puede sin duda ocurrir, pero no siempre es así. En los numerosos vídeos del desastre que se encuentran en la red, se ve que el Tsunami más bien parece una enorme marea que avanza de forma extremadamente rápida sobre la costa, inundándolo todo y con gran poder destructor. La grabación que sigue, ilustra bien como sucedió.

¿Dónde se originó el sismo?

El tsunami se originó en la falla donde las placas del Pacífico y Norteamericana se encuentran. Alrededor de 200 km hacia el este de Sendai, en la región del prisma de acrección, cerca de la fosa oceánica que marca la entrada de la placa Norteamericana por debajo de la placa Euroasiática. Se trata de una zona de convergencia entre placas. La animación siguiente muestra un esquema del funcionamiento de las placas en la zona.


Fuente: Incorporated Research Institutions for Seismology

La rotulada como “zona asegurada” en la animación, fue donde se generó y la que produjo el terremoto. El rebote elástico subsecuente de la placa suprayacente, marca el origen del Tsunami, además debido al rebote de la placa por el desbloqueo repentino de la “zona asegurada”, la linea costera se hundió de golpe; lo que durante cientos de años se había ido levantando de forma progresiva, de pronto se hundió, y el agua recuperó estas zonas para sí. Este fenómeno quedó enmascarado por el tsunami, aunque posteriormente se pudo constatar que efectivamente sucedió mediante las mediciones que se hicieron de la linea costera. Es por esto que las medidas pasivas en cierta forma fracasaron ante la fuerza del tsunami. El vídeo nos describe de forma esquemática como se realizan las medidas mediante GPS (Global Positioning System).

Fuente: Incorporated Research Institutions for Seismology

La magnitud del terremoto mide la energía que libera el sismo y está directamente relacionada con la porción de placa que se mueve en la “zona asegurada”. No se mueve todo el contacto entre placas, solamente las zonas más débiles donde los esfuerzos acumulados por el choque de las dos placas tectónicas, superan la resistencia al desplazamiento por fricción de la “zona asegurada”. En amarillo, en la animación, se marca el prisma de acreción. La corteza oceánica a modo de gigantesca cinta transportadora, arrastra gran cantidad de sedimentos marinos; son principalmente sedimentos pelágicos de grano fino y seamounts, (los seamounts son restos de islas, normalmente de naturaleza volcánica que han sido erosionadas o antiguos volcanes que no emergieron), al encontrarse con la placa suprayacente son triturados y desmenuzados formando unos sedimentos de aspecto caótico sin continuidades estratigráficas, a los que nos referimos con el nombre de melange y que se disponen conformando unos depósitos con forma prismática, de ahí el nombre de, “prisma de acreción”.

 ¿Cómo se forman las olas?

La ruptura se propagó por la zona de falla hacia el fondo oceánico. A la ruptura le sucedió un deslizamiento, que provocó un desplazamiento del agua del océano. Gran parte de la energía generada en el deslizamiento, se transfirió al océano, esta energía se propagó en forma de onda mecánica hacia todas las direcciones, alcanzando la superficie del océano. Las ondas que se generan cuando esto ocurre son similares a las que producimos cuando tiramos una piedra en un estanque y se propagan de forma similar, solo que alcanzan grandes dimensiones. El deslizamiento genera un tren de ondas, que no es más que una sucesión de ondas separadas entre sí por longitudes de onda que, para un sismo de este tamaño suelen ser de centenares de kilómetros. La velocidad de desplazamiento de las olas depende de la longitud de onda según una relación directa; mayor longitud de onda, mayor velocidad de desplazamiento. La siguiente animación ilustra como se inicia un tsunami en una zona de subducción.

Fuente: NOAA: Canal Youtube

Dentro de un líquido, la energía mecánica de la onda se transfiere de unas moléculas a otras, mediante una secuencia de pulsos de ondas transversales. Este sistema de transferencia de energía no implica un transporte neto de materia, las moléculas de agua que componen el océano describen un movimiento circular, de mayor radio en superficie y que tiende a desaparecer en profundidad. La profundidad en la que el movimiento cesa depende también de la longitud de onda entre olas. A una profundidad mitad de la longitud de onda, el movimiento por efecto de la ola cesa.

Las olas generadas por el viento y las generada en un Tsunami, no se diferencian en su mecánica de desplazamiento, sí en su magnitud. Las olas producidas por un tsunami siempre afectan el fondo oceánico (tienen longitudes de onda de decenas a cientos de kilómetros, los fondos oceánicos solo tienen profundidades de  miles de metros). Las olas de tormenta raramente llegan a afectar el suelo oceánico por debajo de 150 m. Es por esto que las olas de un tsunami generan complejos modelos de refracción durante su desplazamiento, que producen interferencias constructivas o destructivas de las olas al encontrarse unas con otras.

Cuando una ola toca el fondo oceánico, el patrón de movimiento circular de la ola, por efecto de la fricción con el fondo se va «aplanando», formando un movimiento en elipse  que finalmente pasa a un movimiento de vaivén, el resultado es que parte de la energía de la ola se disipa en el fondo por fricción, y como resultado, la velocidad de la ola disminuye en su avance hacia la costa. Gran parte de la energía de la onda se dirige hacia arriba desde el fondo, ampliando la altura de la ola. Otra característica de las ondas mecánicas es la disminución de la longitud de onda con la profundidad a medida que las olas llegan a la plataforma continental. Cuando la ola toca fondo, comienza a desequilibrarse y se prepara para romper. En una ola de tsunami la energía es tan elevada que al romper, provoca lo que se conoce como un runup. Una ola convencional de tormenta disipa casi toda su energía cuando rompe, una ola de tsunami no pierde toda su energía al romper , la mayor parte de la energía se transfiere como energía cinética hacia delante, avanzando tierra adentro creando una subida del mar repentina, la diferencia de nivel entre esa «marea» y el nivel medio del océano en la zona se conoce como runup. Esta inundación no la genera una sola ola, la ola que encabeza el tsunami al romper, parte de su energía se disipa hacia mar adentro, creando complejos patrones de olas, conocidas «edge waves», estas bordean la costa y por fricción con el fondo suelen interferir con las olas que llegan del tsunami, sumando o restando energía a las olas que llegan a la costa, que a su vez vuelven a romper, esta vez ya no sobre la linea de costa si no tierra adentro, esta dinámica favorece que el runup continue avanzando alimentando con agua el proceso. En los estuarios con paredes escarpadas el nivel de la «marea» que crea el runup es superior al promedio, (10 m. en el tsunami de Japón), ya que el agua que entra no se puede dispersar para perder energía forzando al agua a subir hacia la cabecera de los valles grandes distancias.

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Fuente: USGS: Pacific Coastal & Marine Science Center

Cuando el tren de olas cesa, la masa de agua que entró en la tierra no se ve sometida a ningún empuje y retorna hacia el océano. La gran capacidad de destrucción, se potencia con los detritos, (árboles, escombros, maderas, sedimentos,…), que va recogiendo, tanto en su entrada a tierra como al retroceder hacia el océano, estos detritos transforman el fluido en una masa con gran capacidad erosiva y abrasiva, similar a un glaciar.

 Estudios realizados

Predecir un sismo en la actualidad es imposible debido a la complejidad de los mecanismos que actúan. Nunca se puede descartar que en un futuro más o menos próximo se puedan predecir; a día de hoy, no es factible. Partiendo de lo anterior, las medidas de protección contra sismos pasan por: mejorar las edificaciones, hacerlas más resistentes y adaptar las construcciones al suelo que las soportan. El comportamiento mecánico de un suelo y/o una roca al paso de un sismo es muy variable, no es lo mismo cimentar sobre un macizo rocoso sin discontinuidades, que hacerlo sobre un suelo arenoso saturado, por lo que es importante catalogar el terreno  y plasmar los resultados en un sistema de información geográfica, se deben localizar aquellos lugares en los que se desestime la construcción de estructuras dadas sus características desfavorables.

Una segunda vía que se comienza a abordar en la actualidad, es mejorar los sistemas de alerta temprana. Los sistemas de alerta temprana suponen una reacción rápida de las autoridades, de los equipos de protección civil, equipos de emergencia, sanitarios, autoridades y la población en general ante el desastre. El avance de la tecnología, nuevos sistemas de comunicación, velocidad en el procesado de datos, red de sensores,… hace que esta vía de mejora pueda ser abordada en la actualidad. La mejora de estos sistemas se centran en la actualidad, en el proceso de la información y la toma de decisiones, que deben ser automáticos. Esto plantea la problemática de una vez ocurrido el sismo, interpretar correctamente las señales que anteceden al desastre y descartar “falsas alarmas”. Para ello es importante estudiar los mecanismos que se inician en la fuente del terremoto y que lo desencadenan. Por esta razón, después del tsunami, se inició el proyecto JFAST  (Japan Trench Fast Drilling Program), a su vez, JFAST se integra en otro proyecto aún mayor; el IODP, (Integrated Ocean Drilling Program), de carácter mundial, en donde se recogen todos los sondeos oceánicos para un conocimiento global de los fondos oceánicos.

JFAST retos

No se esperaba un terremoto de estas características en donde se produjo y menos el tsunami que le sucedió. En realidad Japón es un lugar donde son frecuentes los sismos producidos por la subducción entre las placas Pacífica y Filipina, por lo que sí se esperan sismos de gran magnitud, como el que se produjo. Lo que no se esperaba, es que ocurriera en la zona donde se produjo; en el prisma de acrección, cerca de la fosa de Japón. Esta zona siempre se consideró de baja resistencia, esta baja resistencia impedía que se acumularan grandes tensiones que son las que, a la larga producen el deslizamiento que desencadenan el terremoto y el tsunami que le sigue. La zona es delicada porque está cerca de la superficie del fondo oceánico, por lo que un sismo de gran magnitud lleva asociado un tsunami, ya que el deslizamiento llega hasta el fondo oceánico y transmite su energía al océano. Hay que recordar que un terremoto de subducción en una zona más profunda y su deslizamiento asociado no tiene por qué aflorar en el fondo y no tiene por qué desencadenar un tsunami, o al menos no tan destructivo.

Al estar el punto a investigar tan cerca de la trinchera de la fosa oceánica, la profundidad a la que se emplaza la boca del sondeo es grande, a 6910 m de profundidad, perforar aquí es un desafío en sí mismo. Esto ya se había realizado en 1978 en la fosa de las Marianas y se había conseguido perforar 15,5 m del fondo marino. Aquí lo que se pretendía era perforar 1000 m. El proyecto tenía como objetivos principales la toma de muestras en la zona de falla para caracterizar las propiedades físicas de los materiales que constituyen la zona, y la toma y registro de temperaturas en la ubicación del deslizamiento. La temperatura sirve para estimar los esfuerzos de fricción que se produjeron durante el terremoto. El objetivo global era entender más en detalle el gran deslizamiento que se produjo. Se hicieron para ello tres sondeos, uno para un registro geofísico del suelo donde se iba a perforar; otro con toma de muestras mediante testigo; y otro para el registro de las temperaturas. Los primeros resultados obtenidos, delimitan y caracterizan la zona por donde se produjo el deslizamiento. Unas arcillas pelágicas, procedentes de la placa Pacífica introducidas por efecto de la subducción en el emplazamiento en el que están. Lo obtenido no es poco, ya que marcan una zona, las arcillas, de debilidad respecto al material que lo rodea. Caracterizar estas arcillas y buscar arcillas similares con estas características permitirá delimitar zonas con mayores probabilidades de producirse un sismo asociado a los prismas de acrección. Si se logra correlacionar la temperatura en la zona con los esfuerzos de rotura de la falla se pueden realizar modelos, para localizar zonas de alta peligrosidad sísmica.

En resumen, el terremoto y el tsunami asociado constituyen una desgracia que, debido a la dinámica de la tectónica de placas, se suceden inexorablemente a lo largo de la historia de la Tierra. El terremoto sirvió en cierto modo, dejando al margen las enormes tragedias personales que allí se sucedieron, para indicar la hoja de ruta en lo relativo a medidas de alerta antisísmica que durante estos años se implantarán en la zona; sirvió para constatar que muchas de las medidas implantadas en el país funcionaron como se esperaba, evitando un desastre mucho mayor, (véase el terremoto de Haiti como comparativa). También de lo que no funcionó, (los grandes diques y escolleras no trabajaron como se pretendía); así como de la política energética que debe seguir el país en los años venideros, (accidente de Fukushima y el cierre de las centrales nucleares); de las zonas que se deben vigilar y estudiar, zonas que  antes no se estudiaron en profundidad porque no se evidenció el peligro latente que tenían, (la zona del prisma de acrección, cerca de la fosa oceánica), entre otras que seguro se pueden añadir a la lista.

Referencias:

Tsunami & Earthquake Research at the USGS

Incorporated Research Institutions for Seismology: EPO

Japan Meteorological Agency

NOAA: Center for Tsunami Research

NOAA: Tsunamis

Japan Trench Fast Drilling Proyect

Bibliografía:

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Artículo: Dawson, A. G. & Stewart, I. Tsunami deposits in the geological record Sedimentary Geology, 2007, 200, 166-183 http://dx.doi.org/10.1016/j.sedgeo.2007.01.002

Libro: Fukuyama, E. Fault-Zone Properties and Earthquake Rupture Dynamics International Geophysics, Elsevier, 2009, 94, 1-13 http://dx.doi.org/10.1016/S0074-6142(08)00001-6

Artículo: Heller, V.; Unger, J. & Hager, W. Tsunami run-up—a hydraulic perspective Journal of Hydraulic Engineering, 2005, 743-748 http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:9(743)

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