Primera Parte: Geología y suelos de Managua
Hace algunos días un amigo que está estudiando una maestría en Ingeniería Sísmica, me preguntó acerca de la fiabilidad de utilizar el sismograma del terremoto de Kobe (Enero 17, 1995) para un análisis de respuesta estructuctural no lineal en un edificio a ser construido en Managua. Aunque el caso, es meramente académico, no deja de ser interesante y de gran interés práctico, debido a que la idea es “probar” un diseño estructural siguiendo la metodología y planteada en el Reglamento Nacional de la Construcción (RNC-07), sometido a aceleraciones sísmicas de considerable magnitud.
Aunque tengo algunas ideas al respecto, y un poco de conocimiento en el tema, no hay mejor cosa que preguntarle a la gente que sí sabe, y sobre todo tratar de entablar una discusión. Para ello, puse el post en el muro de mi cuenta de facebook, etiqueté a la gente que sabía podría aportar. De tal ejercicio, salieron a relucir algunas cosas interesantes. Quizás la mas importante, desde el punto de vista ingenieril, fue la discusión acerca de las condiciones geológicas de Managua, y si era posible una comparación o similitud entre una y otra region, sobre todo la profundidad al basamento rocoso. Siendo ésta la principal debilidad encontrada, y la piedra (o roca? ) con la que se tropieza al intentar abordar temas como este, lo que impidió dar una opinión sobre si era posible factible el análisis usando dicho sismograma o no.
A través de un par de post, me gustaría poner en contexto ambos casos, primero, escribir un poco sobre la geología y los suelos de Managua. La información es, principalmente sacada de tesis, como la de Orlando Hernández, quien toma la referencia de estudios geológicos puntuales, de Denis Avellan (PhD en Vulcanología), quien ha investigado bastante acerca del vulcanismo de la zona. Aportó información valiosa a la discusión con algunos detalles muchas veces desconocidos. Además, de otras fuentes, que al final de cada post voy a poner en una lista, para el que esté interesado pueda ir a consultarlos. Lo siguiente será buscar información sobre la geología de Kobe, a ver si tenemos suerte, habrá que dedicar algo de tiempo, y seguir con el post sobre la discusión de las aceleraciones.
Geología y suelos de Managua
La ciudad de Managua se ubica dentro de una depresión tectónica denominada Graben de Managua. Esta depresión tectónica, está localizada sobre una activa cordillera volcánica Cuaternaria, que atraviesa el territorio nacional de sureste a noroeste. Además, representa el límite de una estructura deprimida regional, llamada Depresión de Nicaragua, una de las cinco provincias geológicas en que se divide el país (Hodgson, 1983).
Figura 1. Provincias geológicas de Nicaragua (Modificado de Glen Hodgson, en Moore, 2001).
El Graben de Managua, de orientación norte-sur, se relaciona probablemente con un desplazamiento dextral de la cadena volcánica, asociado a una estructura mas joven, de orientación norte-sur, el lineamiento volcánico Nejapa-Miraflores, que la limita al oeste. En tanto, al Este, está limitada otra estructura, también de orientación norte-sur, el llamado Sistema de Falla Cofradía. Hacia el Norte el graben se pierde dentro del Lago de Managua, mientras hacia el Sur, su límite se reconoce que se encuentra dentro de la caldera del Complejo Volcán Masaya. Se trata de una estructura reciente, de tipo trans-tensional y activa que muestra un intenso fracturamiento interno (Tomado de Orlando Hernández, 2009).
El área urbana de la ciudad y alrededores, presenta una geología compleja, producto de la intensa actividad sismo-volcánica del pasado. Está atravesada por un varias fallas, que de acuerdo a estudios realizados pueden agruparse en tres diferentes familias a saber:
1) Fallas transcurrentes de orientación noreste-suroeste, con desplazamientos lateral-izquierdo (Falla Tiscapa y fallas asociadas). Responsables de los terremotos de 1931 y 1972.
2) Fallas transcurrentes de orientación nor-noroeste-sur-sureste, muestran desplazamientos lateral-derecho y constituyen un sistema conjugado con la primera familia de fallas (Alineamiento volcánico de Nejapa-Miraflores).
3) Fallas normales de orientación norte-sur, por su naturaleza tensional, genera el ascenso de magma (Estructuras volcánica de Nejapa-Miraflores y Veracruz).
Aunque el conocimiento de las fallas y su actividad es de importancia, en el análisis de respuesta de sitio, el conocimiento de la geología y las características de los materiales es aún mas. En el subsuelo del área urbana de Managua y alrededores, pueden encontrarse básicamente dos agrupamientos de rocas fragmentarias de procedencia volcánica. El más antiguo, el Grupo Las Sierras, constituido principalmente por rocas piroclásticas de los períodos Plio-Pleistoceno, y se considera que representa el basamento de la región. El segundo paquete de rocas, de edad más reciente, se conoce como Grupo Managua, cubre al anterior y está constituido por productos volcánicos y materiales sedimentarios transportados, a los que se les ha asignado la época del Holoceno. Este apilamiento de materiales piroclásticos y sedimentarios, descansan sobre materiales más antiguos, depositados durante el Período Terciario Superior (Plioceno) y se reconocen con el nombre de Formación El Salto, compuesta principalmente por areniscas y limonitas (INETER-BGR, 2004). Este es la geología de la region, que “oficialmente” se maneja. Basado en los estudios realizados hasta la fecha.
Hasta ahora, debido a la gran variedad de los depósitos productos volcánicos depositados por diferentes centros eruptivos durante diferentes lapsos de tiempo de su historia volcánica, resulta difícil establecer una estratigrafía generalizada que incluya la totalidad de los depósitos a escala regional y local. El diagrama de la Figura 2, ilustra las relaciones estratigráficas entre las unidades litológicas de las diferentes fuentes volcánicas en los sentidos vertical y horizontal, intercalaciones y discordancias, y la deposición contemporánea de las diferentes secuencias.
Figura 2. Diagrama esquemático de relaciones entre las unidades litológicas y sus fuentes de origen (INETER-BGR, 2003; mejorado de Bice, 1980).
En forma mas general, y como bien lo planteó Denis, "el subsuelo de Managua está conformada por materiales piroclásticos (caídas, flujos y oleadas) (lo que en geotecnia sería, arena, grava y limos, es decir, suelos no cohesivos), provenientes principalmente del volcán Masaya y Apoyo. En la zona Oeste de la ciudad se vuelve más complejo porque el subsuelo está conformado tanto por lavas intercaladas como con materiales piroclásticos (caídas, flujos y oleadas), provenientes de todos los volcancitos del Campo Volcánico Nejapa y el Complejo Chiltepe (incluyendo a Apoyeque). En el centro de la ciudad se reconocen al menos seis depósitos piroclásticos que disminuyen en espesor desde Sur a Norte, y son intercalados por paleosuelos altamente limosos"
Pero antes de seguir, hagamos un paréntesis, y hablemos de basamento
(Con respecto a la profundidad al basamento, en ese punto hay una diferencia de conceptos, igual que al de suelo. Hasta ahora conocía de la discusión referente a qué es basamento en ingeniería sísmica, y qué es basamento en Sismología, no son lo mismo. Al parecer, en geología también hay una pequeña divergencia. Así que, antes de seguir, un poco sobre los conceptos.
Basamento en sismología
Precisamente en Sismología, se denomina basamento a la roca densa, donde el movimiento sísmico se encuentra inalterado, es decir, donde la relación entre las componentes (horizontales y vertical) son iguales a 1. Aunque este concepto podría ser debatible, en el sentido que dentro de la misma roca sana, podrían existir fracturas que alteren el movimiento sísmico, sin embargo, las presiones son tan grandes que esto es despreciable. Es en este ámbito donde se origina el terremoto, a través de la fractura de la roca, que cede ante presiones en una determinada dirección o campo de acción. En otras palabras la fuente misma del sismo (hipocentro). El límite inferior, de tal basamento, en geología se le conoce como la discontinuidad de Mohorovicic.
Basamento en Ingeniería Sísmica
En ingeniería, la definición de basamento rocoso es mas variable y bastante discutible. Se considera como afloramiento de roca, a aquellos estratos de roca donde la Velocidad de Cortante (Vs) es mayor a 750 m/s (RNC-07). Esta misma definición es dada en otros códigos sísmicos, con valores de velocidad onda S bastante similares. De acuerdo a Escobar y Corea (1998), el efecto de amplificación del movimiento sísmico en rocas con velocidades de onda cortante mayores a 700 m/s es mínimo.
Figura 3. Esquema de los elementos principales en el análisis de la respuesta de sitio.
Basamento en Geología
De acuerdo a la opinión de Denis, en un ambiente volcánico, "basamento se refiere a un complejo de rocas indiferenciadas que subyace a las rocas más antiguas identificables en la zona (osea que son perceptibles en superficie, afloramientos rocosos), que podría ser tanto rocas sedimentarias, metamórficas y hasta las mismas rocas volcánicas (acá no necesariamente tiene que ser consolidada la roca, porque hay materiales deleznables, como son las rocas piroclásticas". Este definición se parece mas a la de basamento en ingeniería que la generalmente tomada en sismología. Aunque en un diccionario de términos geológicos (Geología de Segovia) que me encontré en la red, definen a basamento rocoso, exactamente a la definición dada anteriormente en sismología. Al final, no debería haber mucha diferencia entre términos, mas que la delimitación misma para el uso que se le vaya a dar.)
Después de este paréntesis, y con las definiciones de basamento medianamente claras, regresemos a Managua. En la ciudad capital de Nicaragua, al momento de realizar un análisis de respuesta de suelo, el principal obstaculo que se afronta, es la poca informacion fiable existente, relacionada con la profundidad a la roca, es decir al basamento. En realidad, personalmente creo que hay información, pero dispersa e incompleta, lo que la hace hasta cierto punto inútil y algunas veces, contraproducente. Pero otra vez se vuelve a la pregunta, con respecto a qué basamento estamos hablando. Porque, según el propósito del estudio, podemos tomar dos profundidades, al basamento rocoso (sismología), o al basamento ingenieril.
Desde el punto de vista geológico, y según la opinión de Denis, "el basamento de Managua es la Ignimbrita Las Sierras (piedra cantera), una roca no densa, y corresponde a un depósito de flujo piroclástico. La particularidad de esta roca es que es consolidada debido a que está constituida tanto por material grueso (fragmentos de lava, y mayormente formado por pómez) en una matriz de ceniza, es muy impermeable (a pesar que tiene gran abundancia de fragmentos de pómez, pero la porosidad no es proporcional a la impermeabilidad). Esta característica, brinda la posibilidad de identificar el basamento rocoso a través de la información del nivel freático". Se supone que esta información existe, proveniente de las perforaciones de pozos que se han realizado en la capital. Además de estudios geofísicos, necesarios para caracterizar la distribución de aguas subterráneas en la zona. La clave sería, donde está almacenada el agua, ahí es el basamento...un buen punto para partir.
Otra vez repito, esta es información existente, pero dispersa, falta realizar un trabajo de recopilación y análisis, para relacionar las cosas, y sacarles el máximo provecho posible.
El problema parece reducirse a identificar la profundidad a la ignimbrita, que (cito a Denis Avellan) “...de acuerdo a la experiencia la profundidad de la ignimbrita puede variar, por ejemplo, en la zona occidental, al sur de este sector está a solo 100 m de profundidad y al norte puede ser mayor a los 200 m, por el basculamiento del graben; sin embargo, se mencionan zonas donde hay presencia de lava a una profundidad menor a 50 m. En la zona central de Managua puede andar a una profundidad entre 100 y 150 m, habría que revisar los datos de los pozos; sin embargo en la zona oriental de Managua, lo que se conoce como graben Aeropuerto, hay zonas donde aflora la roca densa en superficie (coladas de lavas provenientes de conos de escorias y el volcán Masaya) y la ignimbrita estaría a una profundidad posiblemente mayor a 200 m...”
De acuerdo a esta información la distribución de aceleraciones en la zona urbana de Managua, variará dependiendo de la distribución de espesores de los depósitos sobre la roca saca. Con valores de mayor magnitud al norte de la ciudad, sobre todo en los alrededores del Lago de Managua. Los valores de aceleración no solamente depende del espesor del depósito, sino también de las propiedades fisico mecanicas de los materiales, de la configuración de capas de suelo, y por supuesto de las características del terremoto (fuente, profundidad, localización, tipo de ruptura, magnitud, contenido de frecuencias...).
Desde el punto meramente ingenieril, Faccioli (1973), un clásico en el estudio de los suelos de Managua, basado en un análisis cuidadoso de datos de pruebas de penetracion estandar (SPT) realizados en el área urbana , sugirió agrupar los suelos del área de estudio en tres grupos, de acuerdo al número de golpes por pie de penetracion (N):
1) Suelos superficiales sueltos (N < 10).
2) Suelos medios a densos (10 < N < 50).
3) Suelos muy compactos (N > 50).
Es importante mencionar que el alcance de la prueba SPT es de apenas algunos metros, por lo que la información que genera es meramente superficial. Aunque muchas veces suficiente, para asuntos de cimentaciones pequeñas, que no requieren un análisis especial de diseño. Lo ideal sería, que independientemente de la magnitud e importancia de la estructura se correlacionara con los datos de aceleraciones, y respuesta de sitio.
Faccioli, empleando la clasificación mencionada anteriormente, elaboró tres perfiles estratigráficos, dos con dirección este-oeste (E-O) y uno norte sur (N-S), los cuales se muestran en las figuras siguientes.
Figura 4. Perfil estratigráfico simplificado en dirección E-O de la Ciudad de Managua, cercano a la costa del Lago Xolotlán
Figura 5. Perfil estratigráfico simplificado en dirección E-O de la Ciudad de Managua, al sur de la Laguna de Tiscapa
Figura 6. Perfil estratigráfico simplificado en dirección N-S de la Ciudad de Managua
De acuerdo a este análisis y representación de datos, los suelos sueltos o medios a densos, corresponden al paquete de suelos, arriba de los 10 metros. Basado en esto, podría decirse que tomar 10 metros como basamento ingenieril para la ciudad de Managua, es bastante conservador. Sin embargo, debido al origen volcánico de los suelos de la capital, cuya procedencia corresponde a diversos eventos, relacionados a diferentes estructuras volcánicas (Masaya, Apoyeque...), debajo de esa capa dura, que Faccioli identificó como “suelos muy compactos”, podrían encontrarse depósitos sueltos, sobre todo cenizas (arenas). Esta complejidad en la estratigrafía, es uno de los obstáculos en la aplicación de métodos sísmicos, como Sísmica de Refracción, o de análisis de microtremores, por ejemplo, con el popular método de Nakamura (relación espectral H/V), en la ciudad de Managua.
Una característica del subsuelo en Managua, es que las velocidades de onda aumenta lentamente con la profundidad, lo que no permite identificar un contraste bien marcado a una profundidad definida, lo que hace mas difícil la identificación del basamento a través del criterio sísmico. El método de Nakamura, requiere la existencia de un contraste bien marcado para que pueda funcionar adecuadamente.
Actualización (otros estudios)
Los estudios citados anteriormente, no son los únicos. Se han ejecutado otros, con diferentes propósitos. Y como dije también, falta una recopilación de estudios desperdigados, y un análisis exhaustivo de la información que contienen, con el fin de cuantificar, y cualificar la información que se tiene sobre los suelos de Managua. Esto permitirá una mejor planificación de los futuros estudios que se vayan a realizar, lo que a su vez, conlleva a reducción de costos y tiempo.
Por ejemplo, a mediados de los `90, la cooperación japonesa (JICA), junto con ENACAL, ejecutaron un proyecto de investigación del agua subterránea de Managua, el cual incluyó un estudio geológico (como era de esperarse). Algunos de los resultados de dicho estudio, estan plasmados en las siguientes figuras (Figura 7 a Figura 13).
Figura 7. Mapa de Elevación del techo de la capa hidrogeológica impermeable subyacente al Grupo Las Sierras*
Anteriormente, al inicio de este post, el Dr. Denis Avellan, planteó que el basamento de Managua, correspondía al Grupo Las Sierras, constituido, por lo que en la práctica se denomina, "Piedra Cantera" (muy utilizada para construcción en Nicaragua). Y ademas, menciono, que el indicativo para conocer la profundidad a dicho basamento era precisamente un estudio de aguas subterráneas. Precisamente basado en esta premisa, fue realizado el estudio patrocinado por JICA.
Figura 8. Leyenda para entender los perfiles que se muestran a continuación
Figura 9. Perfil A-B-C en el mapa de la Figura 7. desde la parte suroccidental de Managua, atraviesa la ciudad paralela a la carretera Norte. Geográficamente localizado paralelo al perfil E-W, de Faccioli, dado en la Figura 4.
Figura 10. Perfil D-E-F-G dado en el mapa de la Figura 7. Bordea la ciudad en la parte sur, desde el suroeste en dirección al noreste.
Figura 11. Perfil K-L-M dado en el mapa de la Figura 7. Perfil en dirección Norte Sur, al este de la ciudad, iniciando en el lago de Managua hasta terminar en la laguna de Apoyo, Masaya. Atraviesa en su trayectoria el complejo volcánico Volcán Masaya.
Figura 12. Perfil H-I-J dado en el mapa de la Figura 7. Perfil en dirección Norte Sur, al oeste de la ciudad, iniciando en el lago de Managua y finalizando en El Crucero.
Figura 13. Perfil N-O dado en el mapa de la Figura 7. Al este de la ciudad
Actualización (otros estudios)
Los estudios citados anteriormente, no son los únicos. Se han ejecutado otros, con diferentes propósitos. Y como dije también, falta una recopilación de estudios desperdigados, y un análisis exhaustivo de la información que contienen, con el fin de cuantificar, y cualificar la información que se tiene sobre los suelos de Managua. Esto permitirá una mejor planificación de los futuros estudios que se vayan a realizar, lo que a su vez, conlleva a reducción de costos y tiempo.
Por ejemplo, a mediados de los `90, la cooperación japonesa (JICA), junto con ENACAL, ejecutaron un proyecto de investigación del agua subterránea de Managua, el cual incluyó un estudio geológico (como era de esperarse). Algunos de los resultados de dicho estudio, estan plasmados en las siguientes figuras (Figura 7 a Figura 13).
Anteriormente, al inicio de este post, el Dr. Denis Avellan, planteó que el basamento de Managua, correspondía al Grupo Las Sierras, constituido, por lo que en la práctica se denomina, "Piedra Cantera" (muy utilizada para construcción en Nicaragua). Y ademas, menciono, que el indicativo para conocer la profundidad a dicho basamento era precisamente un estudio de aguas subterráneas. Precisamente basado en esta premisa, fue realizado el estudio patrocinado por JICA.
Estos perfiles prácticamente dan una idea general del subsuelo del área urbana de la ciudad de Managua. Sin embargo, aun con ellos es difícil definir la profundidad al basamento, con un simple vistazo de los mismos. Tomando como base que la formación las Sierras, constituye el basamento de la zona, esta se divide, por lo menos en tres categorías (superior, media, inferior). Cada categoría con características particulares, las cuales hasta ahora, creo que no han sido totalmente descritas. Lo que dificulta en realidad definir una profundidad apropiada, con argumentos sobradamente contundentes. Sin embargo, la información brindada es un gran avance en la definición de tal profundidad, tan indispensable para realizar estudios de respuesta de sitio mas realistas.
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Hace algunos años, tuve la oportunidad de realizar un pequeño trabajo de respuesta de sitio en algunos puntos del área urbana de la ciudad. En esa ocasión, los sitios fueron seleccionados, de acuerdo a la información disponible. En la Figura 14, se muestra la distribución de los puntos (sobre un mapa geológico de Managua), y la metodología empleada. La ubicación de los puntos es solamente para referencia, puede ser que la precisión sea discutible.
Figura 14. Distribución de puntos de evaluación de respuesta de sitio y metodología empleada.
Los datos de entrada, principalmente fue la información geotécnica del subsuelo (de datos de SPT, perforaciones de pozo, y perfil de ondas de cortante). El perfil estratigráfico (muy simple) fueron elaborados a partir de datos recopilados de estudios puntuales, en proyectos privados. Los perfiles de velocidad fueron proporcionados (anduve de ayudante) por el Dr. Edwin Obando, colectados con el método MASW. En las siguientes figuras, comparto los perfiles de suelo y velocidad de onda S (disculpas por el mal inglés, en ese tiempo no sabia; bueno, ahora tampoco, :p)
Figura 15. Perfil de Velocidad de Onda S y estratigrafía estimada en el sitio "Estación Sísmica CIGEO”
Figura 16. Perfil de Velocidad de Onda S y estratigrafía estimada en el sitio "Estadio Nacional de Béisbol”
Figura 17. Perfil de Velocidad de Onda S y estratigrafía estimada en el sitio "Antigua Catedral de Managua”
Figura 18. Perfil de Velocidad de Onda S y estratigrafía estimada en el sitio "Cervecería Nacional”
Figura 19. Perfil de Velocidad de Onda S y estratigrafía estimada en el sitio "Colegio Cristo Rey”
Figura 20. Perfil de Velocidad de Onda S y estratigrafía estimada en el sitio "RUCFA-UNAN/Managua”
Figura 21. Perfil de Velocidad de Onda S y estratigrafía estimada en el sitio "UNI-IES”
A diferencia de otros estudios de respuesta de sitio, en este trabajo se adoptó diferentes profundidades al basamento ingenieril. Y se asume como tal la capa de suelo descrito, como "poorly graded gravel" (grava pobremente graduada), considerando el criterio de la velocidad de onda S, dado en la parte correspondiente a la discusión de basamentos, en este post. La descripción dada aca, es meramente geotécnica, es decir, se basa solamente en algunas características físicas físico-mecánicas del material. En todos los estudios consultados, para la realización de dichas estratigrafías, se encontró que los primeros 10 metros de `suelo`, corresponden a materiales limosos (limos inorgánicos y arenas), en algunas ocasiones con bajo contenido de arcilla de baja plasticidad. Esto último, lleva a la conclusión, de que no se puede utilizar para Managua (por lo menos no es recomendable) profundidades menores a 10 metros, como basamento ingenieril, en estudios de respuesta de sitio.
Quizás, este sea el post mas largo que haya "escrito" hasta ahora, y aún no se termina....la idea es seguir aportando.
Post en construcción
Estudios relacionados (algunos referenciados en el texto)
Tephra stratigraphy and physical aspects of recent volcanism near Managua, Nicaragua. Ph.D. thesis, University of California, Berkeley. Bice, D. C. (1980).
Microzonificación Sísmica de la ciudad de Managua, Tesis para optar al título de Ingeniero Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Managua, Nicaragua. Escobar, E. y Corea, M. (1998).
Microzonation criteria and seismic response studies for the city of Managua. Proceedings of the Conference on the Managua, Nicaragua Earthquake of December 23, 1972, vol. II, San Francisco, C.A. 29-30 Nov. 1973, pp 271-291. Faccioli, E., Santoyo, E. y León J. T. (1973).
Generalidades de la geología de Nicaragua. Primer Seminario de Hidrología, ANGPA, Managua. Hodgson, G., (1983).
Estudio de la Microzonificación Sísmica de Managua. Informe final. INETER (2000).
Proyecto de Georriesgos en Centroamérica. Informe final. INETER-BGR (2003).
Zonificación sísmica preliminar para Nicaragua y microzonificación sísmica para Posoltega y Quezalquaque. Movimondo-ECHO, Managua, Nicaragua. Moore, F. (2001).
Recopilación de información sobre amenaza sísmica para Managua. Proyecto Estudio de la Vulnerabilidad Sísmica de Managua, DRM. Moore, F. (2004).
Reevaluación del efecto de sitio y propuesta de clasificación de terrenos con fines de diseño sísmico para Managua, Nicaragua. CIGEO/UNAN-Managua. Hernández, O, 2009.
Algunos estudios pueden encontrarse en el menú de este blog, en la pestaña MANAGUA o BLOGBLIOTECA.
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