Javier Francisco Lermo Samaniego Ingeniero geofísico con maestría en Ciencias. Se ha dedicado al desarrollo de mapas de zonificación sísmica de ciudades importantes de México y América del Sur. Investigador del Instituto de Ingeniería (II) de la UNAM.
Erik Ramos Pérez Ingeniero geofísico. Estudiante de maestría en el II UNAM.
Iván Álvarez Monroy Ingeniero geofísico. Estudiante de maestría en el II UNAM.
Francisco José Sánchez Sesma Ingeniero civil con maestría y doctorado. Se ha dedicado al estudio y modelado matemático de ondas sísmicas. Investigador emérito del II UNAM. Miembro del Consejo Consultivo de Ciencias.
La importancia de la zonificación sísmica y del mapa de periodos dominantes del suelo para la prevención radica en el criterio implícito de diseño, que indica que los periodos de las estructuras no deben coincidir con los periodos dominantes del suelo, para evitar así la llamada “doble resonancia” y minimizar los daños de las construcciones.
En los terremotos del 19 de septiembre de 1985 (Mw 8.1) y de 2017 (Mw 7.1), el periodo de las estructuras colapsadas y gravemente dañadas coincidió con el periodo dominante del suelo, por lo que el efecto de resonancia quedó de manifiesto. Estos hechos justificaron la revisión tanto de la zonificación sísmica como del mapa de periodos dominantes en la Ciudad de México y áreas aledañas; estos son los objetivos de este trabajo. Se generó un mapa actualizado, con un total de 2,464 valores de periodos dominantes del suelo. Este nuevo mapa permite indicar las zonas de daños causadas por los dos terremotos mencionados y señalar las zonas de agrietamiento. En este escrito se recomienda una revisión detallada de estas zonas que contemple de manera integral aspectos geológicos, geotécnicos y sísmicos que coadyuven a lograr un menor comportamiento de las nuevas construcciones en futuros terremotos.
Introducción
La cuenca del Valle de México es considerada una cuenca endorreica debido a que está rodeada por sierras y volcanes, de los cuales fluye el agua de los ríos hacia la extensa planicie. Esto permitió la formación de cinco lagos someros: Chalco, Xochimilco, Texcoco, San Cristóbal-Xaltocan y Zumpango. Actualmente sólo quedan algunos remanentes de los lagos en Zumpango y Texcoco, y la zona lacustre de canales y chinampas de Xochimilco-Chalco. Dentro de la cuenca se ubican otras sierras de menor dimensión, siendo la más destacable la de Santa Catarina, además de pequeños cerros como el Peñón de los Baños. El rasgo morfológico más reciente de la cuenca es el derrame basáltico, ubicado al suroeste, producto de la erupción del volcán Xitle hace aproximadamente 2,000 años (véase figura 1).
En este contexto geomorfológico se estableció la actual Ciudad de México (CDMX), primero sobre la antigua ciudad de México-Tenochtitlan, en la parte occidental del lago de Texcoco, y después se extendió sobre la planicie que forman los lagos de Texcoco, Xochimilco y Chalco conforme éstos se fueron quedando sin agua. Desde la época prehispánica, la Ciudad de México ha sufrido severos daños por los terremotos. Esto se debe a los suelos lacustres de la cuenca del Valle de México, formados de arcillas altamente compresibles cuyo espesor es mayor a los 100 m en la zona del antiguo lago de Chalco. Debido a estos suelos, tanto la amplitud del movimiento sísmico como su duración se amplifican, lo que aumenta la probabilidad de que las construcciones sufran daños severos por la acción de los terremotos. Este fenómeno se denomina “efecto de sitio” y es de gran importancia evaluarlo correctamente.
Los sismos que históricamente han afectado a la ciudad son de dos tipos: sismos de subducción generados en las costas del Pacífico y los intraplaca generados dentro de la Placa Norteamericana, y son un recordatorio constante de la exposición al peligro sísmico. Durante el terremoto del 19 de septiembre de 1985 (Mw 8.1), considerado de subducción, una enorme fuente de energía con efectos especiales en la zona de ruptura y una eficiencia excepcional en la propagación hasta el Valle de México se conjuntaron para hacer que las ondas sísmicas incidentes tuviesen un contenido excepcionalmente alto de energía en un intervalo de periodo (1.0-10 s) que abarca precisamente aquellas que más amplifican las formaciones arcillosas del valle (Campillo et al., 1989). A su vez, las construcciones en este intervalo de periodo (asociado a edificios de 7 a 15 pisos), al experimentar grandes oscilaciones, sufrieron los máximos daños (Rosenblueth et al., 1992). El 19 de septiembre de 2017, 32 años después del gran terremoto de 1985, la ciudad sufrió nuevamente los estragos de un movimiento sísmico de magnitud Mw 7.1 originado a 120 km de la Ciudad de México, en Axochiapan, Morelos. El contenido de energía del sismo se concentró principalmente entre 0.15 y 1.0 s, y provocó el colapso de estructuras de entre cinco y ocho pisos (periodos entre 0.8 y 1.6 s) y graves daños a otras tantas (Mayoral et al., 2019).
Zonificación sísmica y mapa de periodo dominante del suelo
La zonificación sísmica consiste en mapas de distintos parámetros útiles para la estimación del movimiento del suelo durante un sismo (tales como periodo dominante del suelo, espesor efectivo de los suelos blandos y los valores de las velocidades de propagación de las ondas, ordenadas espectrales esperadas, distancias a los afloramientos, etc.). Esta estimación incluye idealmente la influencia de la geología y topografía locales. A menudo, al referirse a las condiciones locales se entiende la estratigrafía del suelo en el sitio de interés, así como las características geológicas y topográficas en la vecindad del sitio. Dependiendo de la escala, la zonificación (centenas de metros) puede ser microzonificación (decenas de metros) e incluso nanozonificación (metros). La zonificación sísmica de un sitio requiere los aportes de otras disciplinas tales como la geología, la geofísica, la geotecnia, la sismología y, sin duda, la ingeniería civil. Así se garantiza la consideración de diversos fenómenos físicos tales como la amplificación del suelo, los deslizamientos y derrumbes, la licuefacción, el agrietamiento y el hundimiento regional y diferencial. Esta información debe analizarse e integrarse para generar mapas que muestren la zonificación a diferentes escalas.
La zonificación sísmica de la Ciudad de México se ha realizado tomando en consideración las divisiones establecidas por Marsal y Mazari (2016) para la zonificación geotécnica (zonas de Lomas, de Transición y de Lago), además de establecer los límites con base en los periodos dominantes del suelo. A raíz del terremoto de 1985, se elaboraron “normas de emergencia”, se modificaron las normas técnicas con base en diversas investigaciones y se publicaron en 1987. Para incluir los efectos de la interacción suelo-estructura en el diseño estructural de ciertas edificaciones (Avilés y Pérez-Rocha, 2002), en las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño Sísmico (NTCDS) del reglamento de 1987 se incluyeron las curvas de isoperiodos de los depósitos de arcillas para la Ciudad de México (véase figura 2). Ese mapa incluyó datos de periodo en la parte central de la Ciudad de México, pero carecía de información en la parte sur, en la denominada subcuenca de Xochimilco-Chalco. En las NTCDS del año 2004 se actualizó el mapa de periodos usando registros de movimientos fuertes y microtremores (Lermo et al., 1988; Lermo y Chávez-García, 1993; Lermo y Chávez-García, 1994a y 1994b), incluyendo más información de la subcuenca de Xochimilco-Chalco. También la CDMX se dividió en tres zonas geosísmicas: la primera (denominada Zona I) presenta periodos dominantes menores a 0.5 s; la segunda (denominada Zona II) se encuentra entre los periodos de 0.5 a 1.0 s, y la tercera (denominada Zona III) corresponde a periodos mayores a 1.0 s (véase figura 2). La Zona de Lago está dividida en otras cuatro subzonas (IIIa, IIIb, IIIc, IIId). En el Apéndice A de estas normas se establece la construcción de espectros de sitio en función del periodo del suelo (Ts). En las nuevas NTCDS (2017) para la CDMX, la determinación de los espectros de diseño cambió de manera radical, pues 1) se eliminó la caracterización geosísmica y 2) la determinación del espectro de diseño se realiza utilizando el programa de cómputo SASID (Sistema de Acciones Sísmicas de Diseño); este programa es de hecho un sistema que integra un mapa de la CDMX en el cual se indican las coordenadas del sitio de interés y el sistema genera los parámetros de los espectros elástico y de diseño, así como el periodo dominante del suelo Ts en ese sitio (figura 2).
Ante estas consideraciones de las NTCDS (2017), cobra gran relevancia el periodo dominante del suelo. Sin embargo, hay algunas zonas en las que los valores generados por el programa SASID difieren hasta en 25% de los obtenidos con registros de sismos o de microtremores. Esto se ha documentado para zonas cercanas a estructuras volcánicas y para la Zona de Lomas (Flores-López y González Ramírez, 2019; Huerta, 2019). Por ello, parece conveniente recurrir a alguna técnica de campo como lo es el registro de microtremores (vibración ambiental, ruido sísmico, etc.) o al uso de los registros sísmicos que se tienen disponibles en las estaciones sismológicas de la CDMX.
Base de datos del periodo dominante
Para construir el mapa de periodos dominantes del suelo se tomaron en cuenta varios aspectos. Primero, se definió una curva alrededor de todo el Valle de México y de los cerros ubicados dentro de la ciudad en la que se acepta que no existe efecto de sitio. Para esto se consideraron la geología de la cuenca establecida por Mooser (2018) y Arce et al. (2019) y la topografía. En las zonas donde terminan los depósitos aluviales y comienzan los cerros, y en donde la topografía cambia drásticamente, se definió la curva sin efecto de sitio (0.0 s).
En 2012, a solicitud de la Coordinación Técnica de la Secretaría de Obras y Servicios del Gobierno del Distrito Federal, se desarrolló una actualización del mapa de isoperiodos (Lermo et al., 2012). En ese trabajo se estimaron las variaciones de los periodos predominantes del suelo en diferentes sitios de la CDMX durante un lapso de 20 años. Estos cambios parecen estar fuertemente correlacionados con la subsidencia regional. Por lo tanto, se propuso una actualización del mapa de zonificación correspondiente a las NTCDS (2004) y se estudiaron los registros de aceleración en 85 estaciones de la Red Acelerométrica de la CDMX (RACM) para una variedad de terremotos recientes; además, se llevaron a cabo 810 nuevas mediciones de microtremores en varios lugares dentro de la cuenca. Del análisis de estos datos se obtuvo una relación que describe la variación en 20 años. Esto reveló cambios de hasta 0.9 s dentro de una zona tradicionalmente considerada como Zona de Lago (Martínez-González et al., 2012; Arroyo et al., 2013). El estudio llevó a la actualización de la información disponible, y se alcanzaron 1,400 puntos de datos que permitieron la generación de una nueva zonificación sísmica. Sin embargo, no fue hasta después del terremoto de 2017 que dichos estudios se incorporaron a las nuevas NTCDS publicadas el 15 de diciembre de ese año. Con la información de Martínez-González et al. (2015), los datos de 42 sitios obtenidos mediante mediciones de microtremores en los terrenos donde se iba a construir el Aeropuerto Internacional en Texcoco, Estado de México (Rodríguez, 2017) y los periodos medidos para este trabajo (1,064) se actualizó el mapa de isoperiodos para la Ciudad de México y áreas aledañas, que contiene información de prácticamente toda la cuenca.
Nuevas mediciones de ruido sísmico
A partir de la última actualización del mapa de periodo dominante (Martínez-González et al., 2015) se realizaron nuevas mediciones de microtremores, con especial énfasis en el sur de la ciudad, en la subcuenca de Xochimilco-Chalco y en las alcaldías Coyoacán y Álvaro Obregón. Las mediciones de microtremores se realizaron con un sismógrafo Guralp modelo CMG-6TD triaxial, de banda ancha y alta resolución, ideal para este tipo de mediciones por su practicidad, peso y dimensiones. Este sismógrafo tiene un periodo natural de 30 s y una respuesta en frecuencia de 0.03 a 100 Hz, que abarca el rango de interés de un estudio de ingeniería sísmica (generalmente de 0.1 a 10 Hz). Los microtremores se registraron por un tiempo mínimo de 60 minutos y la frecuencia de muestreo utilizada fue de 100 Hz. Se realizaron 1,064 mediciones de microtremores en la Ciudad de México y áreas aledañas. Para el procesado de los datos se utilizó el método de los cocientes espectrales H/V (Nakamura, 1989; Lermo y Chávez-García, 1993), por su sencillez de operación, su bajo costo y la rapidez con que permite obtener periodos dominantes del suelo. En la figura 3 se presenta la distribución espacial de 2,464 puntos de medición de periodos dominantes en la CDMX y zonas aledañas. Se señalan los puntos medidos previamente y las determinaciones de este trabajo.
Resultados
Con base en los datos de periodos dominantes, se construyó el mapa de la figura 4, en el que los errores de la interpolación son menores de 0.05 s. Este nuevo mapa de isoperiodos permite examinar dentro de la región de estudio la pertinencia de las zonas tradicionales:
La Zona de Lomas: se consideran todas las sierras, cerros y volcanes que se ubican en la cuenca del Valle de México hasta la curva de 0.0 s, que define dónde comienzan los depósitos aluviales y lacustres de la cuenca. Esta zona tradicionalmente se ha considerado como suelo firme en donde no hay efecto de sitio, pero en las investigaciones de ruido sísmico llevadas a cabo en el derrame basáltico del volcán Xitle se registraron periodos de hasta 2.0 s en la zona de Ciudad Universitaria y sus alrededores. Además, por la revisión bibliográfica llevada a cabo en este trabajo, se encontraron sondeos geotécnicos con espesores de suelos blandos mayores de 10 m en diferentes puntos, como la zona de Santa Fe en la alcaldía Cuajimalpa. Por lo tanto, se recomienda realizar estudios de microzonificación sísmica en toda esta zona, sobre todo en los sitios altamente poblados y lugares de barrancas.
La Zona de Lago, caracterizada por las curvas de igual periodo dominante, cuyos límites abarcan las curvas de 0.1 s hasta valores mayores a los 5.0 s, localizados en la subcuenca de Texcoco y en la subcuenca de Xochimilco-Chalco; aquí han ocurrido la gran mayoría de los daños por los dos terremotos del 19 de septiembre (de 1985 y 2017). La distribución de éstos muestra concentraciones al poniente y al sur en la zona de Tláhuac y Xochimilco, entre las curvas de igual periodo de 1.0 s y hasta los 3.0 s al poniente del Peñón de los Baños. Sin duda se requieren más mediciones de microtremores en los límites noroeste, noreste y sureste de la zona de estudio, además de realizar mediciones periódicamente en las zonas ya estudiadas para evaluar las variaciones temporales. Con respecto a las grietas, la mayoría se ubica en sitios con periodos de entre 0.1 y 2.0 s, salvo algunas excepciones, como aquellas ubicadas en el centro de la cuenca y al noroeste del Peñón del Marqués. Su análisis detallado será motivo de otros trabajos.
Conclusiones
Este nuevo mapa actualizado de isoperiodos con información de más de 2,464 puntos medidos presenta las siguientes mejoras al compararse con los publicados en las NTCDS 2004 y 2017:
Se consideran periodos dominantes de hasta 0.1 s, a partir de los cuales se establece que hay efecto de sitio.
El rango entre periodos de 0.1 a 0.5 s se amplía, sobre todo en las zonas noroeste y noreste del Valle de México.
En la sierra de Santa Catarina se modificaron los límites con los cerros aledaños: al oeste, en los límites con el volcán Yuhualixqui, se obtuvieron periodos mayores a 0.5 s, y además se define una estructura que parte del volcán en dirección sur que se considera como un derrame basáltico antiguo; al este, entre la sierra y el cerro El Pino, se obtuvieron periodos mayores a 0.5 s.
La zona que se ubica en Texcoco, cerca del lago Nabor Carrillo y hasta El Caracol, se define mejor debido a la información recabada en el sitio; allí se reportan periodos de hasta 4 s.
Los valores de periodo más grandes registrados en el Valle de México coinciden con las zonas más profundas de los antiguos lagos de Texcoco, Xochimilco y Chalco. En el lago de Texcoco se encontraron periodos de hasta 5 s en el relleno sanitario (bordo). En el lago de Xochimilco se registraron periodos mayores a 5 s, y en el lago de Chalco se registró el periodo más grande de toda la cuenca, que tiene un valor de 5.9 s cerca del volcán Xico.
La transición de periodos de la Sierra de las Cruces hacia el lago de Texcoco es suave, comparada con la transición entre la sierra de Chichinautzin y los lagos de Xochimilco y Chalco, y entre la sierra de Santa Catarina y el lago de Texcoco, en donde la transición es abrupta.
Agradecimientos
Se agradecen los comentarios y sugerencias de G. Auvinet y E. Ovando-Shelley. Ha sido invaluable el apoyo del Instituto para la Seguridad de las Construcciones de la CDMX. Se agradece apoyo parcial de la DGAPA-UNAM con los proyectos IN100917 e IN107720.
Referencias
Arce, J. L., P. W. Layer, J. L. Macías, E. Morales-Casique, A. García-Palomo, F. J. Jiménez-Domínguez, J. Benowitz y A. Vásquez-Serrano (2019). Geology and stratigraphy of the Mexico Basin (Mexico City), central Trans-Mexican Volcanic Belt. Journal of Maps 15: 320-332.
Lermo, J., J. Martínez, J. Angulo y L. A. Espinosa (2012). Actualización de las curvas de periodo 0.5 y 1.0 segundo del mapa de periodos dominantes del suelo de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal. Gobierno del Distrito Federal, Secretaría de Obras y Servicios, Coordinación Técnica.
Marsal, R. J., y M. Mazari (2016). The subsoil of México City. Vols. I y II. Reedición del Instituto de Ingeniería, UNAM.
Mooser, F. (2018). Geología del Valle de México y otras regiones del país. Vol. I. México: CICM.
Nakamura, Y. (1989). A method for dynamic characteritics estimation of subsurface using microtremors on the ground surface. Quartely Report of Railway Technical Research Institute 30: 25-30.
Quien desee conocer las referencias completas de este artículo, puede solicitarlas a: ic@heliosmx.org
