Estudio de microzonificación sísmica y amplificación de ondas sísmicas en los suelos del distrito de Comas

Abstract

Perú está ubicado en la parte central oeste de Sur América en un área que pertenece al Cinturón de Fuego del Pacífico, donde la actividad sísmica mundial está concentrada. Durante los últimos sesenta años, Lima, la capital de Perú, ha experimentado un proceso migratorio errático que derivó en la invasión de áreas anteriormente despobladas, como las estribaciones andinas en las afueras del centro histórico. Es en este contexto que se estableció el distrito de Comas, en la zona norte de Lima; primero, por un número muy reducido de familias que, en la actualidad, se ha convertido en uno de los distritos más poblados del área metropolitana. Por esta razón, es necesario desarrollar y aplicar metodologías eficientes que permitan la identificación de áreas con alto riesgo sísmico por sus particulares condiciones de suelo y su comportamiento dinámico. Lo anterior cobra relevancia desde el último terremoto que afectó considerablemente a Lima, en 1974, Comas ha sufrió cambios significativos en la configuración de sus áreas urbanas y población. Además, las características geomorfológicas de Comas están determinadas por el abanico aluvial del río Chillón y el piedemonte andino. Así, el distrito está cubierto principalmente por materiales rígidos como cantos rodados con matriz arenosa, típicamente conocido como el conglomerado, y depósitos de arena de densidad media. En el año 2010, el CISMID desarrolló el primer mapa de microzonificación sísmica para Comas, basado en la información de pozos de suelo, pozos de agua y mediciones de microtremores puntuales. En este mapa, se clasificaron los depósitos de suelos en función de su comportamiento mecánico, además se identificaron áreas con niveles freáticos altos y fluctuantes y zonas propensas a deslizamientos y desprendimientos de rocas. Posterior a este estudio del CISMID, se realizaron ensayos geofísicos para proyectos privados en el distrito de Comas. Estos ensayos complementan los cálculos de las funciones de transferencia empíricas proporcionados por la relación espectral H/V de las vibraciones ambientales y las estimaciones de los perfiles de velocidad de las ondas de corte. Este conjunto de pruebas hizo evidentes valores considerables de amplificación relativa en el rango de 0,40 s a 0,60 s, en contraste con los valores del período fundamental original definidos en la vecindad de 0,10 s. Dado la aparición de estos nuevos hallazgos, ese consideró necesario la actualización del mapa de microzonificación del distrito de Comas, teniendo en cuenta que los resultados correspondientes al rango de períodos más largos podrían estar relacionados con la influencia de la relación de impedancia de la subestructura de suelo profundo, que no fue analizada anteriormente y que tiene un fuerte impacto en su comportamiento dinámico. Para ello, en esta investigación, se realizaron extensivamente pruebas de Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW) y mediciones de Arreglo de Microtremores de gran tamaño en el distrito, con el objetivo de evaluar la diferencia en la respuesta sísmica considerando tanto la estratigrafía del suelo superficial y de la profunda y, por lo tanto, recomendar revisiones en la clasificación de su sitio. Además, se realizó un análisis unidimensional de los perfiles característicos del suelo dado que en el distrito se encuentra instalada una estación sísmica perteneciente a la red sísmica CISMID (REDACIS). Luego de procesar los ensayos geofísicos complementarios, se integró la información de los estudios recopilados y ejecutados. Se identificó el desarrollo de dos picos de periodos en la zona llana del distrito, lo que indicaría cambios abruptos en el espesor del suelo. El periodo fundamental del suelo puede aumentar o viceversa dependiendo de la profundidad del depósito analizado. El distrito cuenta suelos rígidos en la ladera de los cerros y suelos flexibles en la zona llana. El promedio de velocidades de ondas de corte, hasta 30 m de profundidad, sectoriza la zona de estudio en dos de acuerdo a la Norma Peruana: S1–Roca o suelo muy Rígido en la ladera de los cerros donde se ubica uno de los acelerógrafos del distrito; S2–Suelo Intermedio para el resto del distrito. Los perfiles sísmicos de gran profundidad obtenida de los Arreglos de Microtremores permitieron realizar el análisis de amplificación sísmica unidimensional hasta el basamento Rocoso (Suelo Tipo B–IBC). El mapa de microzonificación sísmica permite realizar la caracterización de la amenaza sísmica del distrito de Comas, se elabora de manera multidisciplinaria considerando la siguiente información: Mapa de Peligro Geológicos, Mapa de Microzonificación Geotécnica, Mapa de Vs30, Mapa de Isoperiodos, Análisis de Peligro Sísmico Probabilístico y Amplificación Sísmica de Perfiles Profundos.

Peru is located in the west-central part of South America in an area that belongs to the Pacific Ring of Fire, where global seismic activity is concentrated. Over the past sixty years, Lima, the capital of Peru, has experienced an erratic migration process that resulted in the invasion of previously unpopulated areas, such as the Andean foothills on the outskirts of the historic center. It is in this context that the district of Comas, in the northern area of Lima, was established; first, by a very small number of families that, currently, has become one of the most populated districts in the metropolitan area. For this reason, it is necessary to develop and apply efficient methodologies that allow the identification of areas with high seismic risk due to their particular soil conditions and dynamic behavior. The above becomes relevant since the last earthquake that considerably affected Lima, in 1974, Comas has suffered significant changes in the configuration of its urban areas and population. Furthermore, the geomorphological characteristics of Comas are determined by the alluvial fan of the Chillón River and the Andean foothills. Thus, the district is mainly covered by rigid materials such as pebbles with a sandy matrix, typically known as conglomerate, and medium–density sand deposits. In 2010, CISMID developed the first seismic microzonation map for Comas, based on information from soil wells, water wells and point microtremor measurements. In this map, soil deposits were classified based on their mechanical behavior, and areas with high and fluctuating water tables and areas prone to landslides and rockfalls were also identified. After this CISMID study, geophysical tests were carried out for private projects in the Comas district. These tests complement the empirical transfer function calculations provided by the H/V spectral ratio of ambient vibrations and estimates of shear wave velocity profiles. This set of tests made evident considerable values of relative amplification in the range of 0,40 s to 0,60 s, in contrast to the original fundamental period values defined in the vicinity of 0,10 s. Given the appearance of these new findings, it was considered necessary to update the microzoning map of the Comas district, taking into account that the results corresponding to the range of longer periods could be related to the influence of the impedance relationship of the substructure of deep soil, which was not previously analyzed and which has a strong impact on its dynamic behavior. For this, in this research, Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) tests and large Microtremor Array measurements were carried out extensively in the district, with the objective of evaluating the difference in the seismic response considering both the stratigraphy of the surface soil and the deep, and therefore, recommend revisions in your site's ranking. In addition, a one-dimensional analysis of the characteristic soil profiles was carried out given that a seismic station belonging to the CISMID (REDACIS) seismic network is installed in the district. After processing the complementary geophysical tests, the information from the studies collected and executed was integrated. The development of two period peaks was identified in the flat area of the district, which would indicate abrupt changes in the thickness of the soil. The fundamental period of the soil may increase or vice versa depending on the depth of the analyzed deposit. The district has rigid soils on the slopes of the hills and flexible soils in the flat area. The average speed of shear waves, up to 30 m deep, sectors the study area into two according to the Peruvian Standard: S1–Rock or very Rigid soil on the slope of the hills where one of the district's accelerometers is located; S2–Intermediate Land for the rest of the district. The deep seismic profiles obtained from the Microtremores Arrays allowed the one–dimensional seismic amplification analysis to be carried out down to the rock basement (B–IBC Soil Type). The seismic microzonation map allows the characterization of the seismic hazard of the Comas district. It is prepared in a multidisciplinary manner considering the following information: Geological Hazard Map, Geotechnical Microzoning Map, Vs30 Map, Isoperiod Map, Probabilistic Seismic Hazard Analysis and Seismic Amplification of Deep Profiles.