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ONDAS SÍSMICAS
Introducción
Si desplazamos un diapasón de su posición de equilibrio y lo soltamos repentinamente,
percibimos su sonido característico. Lo mismo sucede en la Tierra, un sismo consiste
precisamente en la liberación repentina de los esfuerzos impuestos al terreno. De esta
manera, la tierra es puesta en vibración. Esta vibración es debida a la propagación de ondas
como en el caso del diapasón.
En un terremoto se transmiten ondas que viajan por el interior de la tierra. Siguen
caminos curvos debido a la variada densidad y composición del interior de la Tierra. Este
efecto es similar al de la refracción de ondas de luz. A este tipo de ondas se llaman ondas
internas, centrales o de cuerpo, transmiten los temblores preliminares de un terremoto pero
poseen poco poder destructivo. Las ondas de cuerpo son divididas en dos grupos: ondas
primarias (P) y secundarias (S).
También se propagan ondas por la superficie. Son las que más tardan en llegar. Debido a
su baja frecuencia provocan resonancia en edificios con mayor facilidad que las ondas de
cuerpo causando los efectos más devastadores. Hay ondas superficiales de dos tipos: de
Rayleigh y de Love.
Ondas Primarias (P)
Las ondas P (PRIMARIAS) son ondas longitudinales, lo cual significa que el suelo
es alternadamente comprimido y dilatado en la dirección de la propagación. Estas
ondas generalmente viajan a una velocidad 1.73 veces de las ondas S y pueden viajar
a través de cualquier tipo de material. Velocidades típicas son 330m/s en el aire,
1450m/s en el agua y cerca de 5000m/s en el granito.
Como viajan a una velocidad √3 veces mayor que las ondas secundaria se registran
primero en un sismómetro o sismógrafo, por tanto hay una diferencia de tiempo entre
los registros de las ondas primarias y las ondas secundarias
∆𝑡(𝑃) = √3∆𝑡(𝑆)
Si se pudiera describir una onda primaria, diríamos que es una onda del tipo
longitudinal, es decir su desplazamiento es en la dirección del eje de propagación , es
lo que ocurre cuando se aplica una compresión en un resorte y esta perturbación se
propaga a lo largo del mismo.
Como dato aparte. Estas ondas se propagan más rápidamente en un medio de alta
densidad, en consecuencia dependen de la elasticidad del medio, en física este
parámetro se representa por el módulo de compresión, que en el caso da las rocas
tectónicas es del orden de los 3 a 4 giga-pascales por metro cuadrado.
En la práctica, estas ondas primarias son el “primer latigazo” que percibimos en un
sismo de gran intensidad.
Ondas Secundarias (S)
Las ondas S (SECUNDARIAS) son ondas transversales o de corte, lo cual significa
que el suelo es desplazado perpendicularmente a la dirección de propagación,
alternadamente hacia un lado y hacia el otro. Las ondas S pueden viajar únicamente a
través de sólidos debido a que los líquidos no pueden soportar esfuerzos de corte. Su
velocidad es alrededor de 58% la de una onda P para cualquier material sólido.
Usualmente la onda S tiene mayor amplitud que la P y se siente más fuerte que ésta.
Una descripción cotidiana de estas ondas se puede entender como una perturbación
que se genera en una cuerda. En donde un punto de esta oscila perpendicularmente al
eje de propagación, son ondas cuya velocidad de propagación son más lentas.
La amplitud de estas ondas va disminuyendo, precisamente por las refracciones que
va experimentando en su propagación en los distintos medios que va encontrando por
el camino. Esto ocurre porque las rocas van cambiando de densidad, en consecuencia
cambian de medio y de acuerdo a la ley de Snell cambian su velocidad, si en su
propagación subterránea encontraran además “bolsas de aire” o de agua, disminuirían
aún más su velocidad.
La experiencia muestra que estas ondas son los movimientos verticales que
experimentamos en un sismo de gran intensidad( sentimos que nos movemos arriba y
abajo a gran intensidad)
Estas ondas sísmicas secundarias , que son las verdaderamente destructivas , se
clasifican según su características de propagación y sus efectos en dos tipos:
Ondas de Rayleigh
Cuando un sólido posee una superficie libre, como la superficie de
la tierra, pueden generarse ondas que viajan a lo largo de la
superficie. Estas ondas tienen su máxima amplitud en la superficie
libre, la cual decrece exponencialmente con la profundidad, y son
conocidas como ondas de Rayleigh en honor al científico que predijo
su existencia. La trayectoria que describen las partículas del medio al
propagarse la onda es elíptica retrógrada y ocurre en el plano de
propagación de la onda. Una analogía de estas ondas lo constituyen
las ondas que se producen en la superficie del agua.
Para entenderlas, se puede pensar que en el lugar que se produce el
sismo, sobre la superficie terrestre corresponde al Epicentro y la
profundidad bajo la superficie de la tierra corresponde al Hipocentro.
Cuando la onda secundaria de Rayleigh se propaga desde el
Hipocentro va cambiando su velocidad por las distintas densidades
que encuentra a su paso porque el módulo de elasticidad de la roca no
es uniforme, es decir sufre refracciones, y va produciendo
perturbaciones perpendiculares a su eje de propagación ( la roca sube
y baja) , en este punto tiene cierta amplitud( un punto de la roca
oscila de “arriba abajo” una distancia determinada. Cuando “sube” a
la superficie su amplitud aumenta porque sobre ella no “encuentra
roca”
Ondas de Love
Las ondas Love son las que
provocan cortes horizontales en la
tierra.
Otro tipo de ondas superficiales son ondas de Love llamadas así en honor del científico
que las estudió. Estas se generan sólo cuando un medio elástico se encuentra
estratificado, situación que se cumple en nuestro planeta pues se encuentra formado por
capas de diferentes características físicas y químicas. Las ondas de Love se propagan con
un movimiento de las partículas, perpendicular a la dirección de propagación, como las
ondas S, sólo que polarizadas en el plano de la superficie de la Tierra, es decir sólo
poseen la componente horizontal a superficie. Las ondas de Love pueden considerarse
como ondas S "atrapadas" en la superficie. Como para las ondas de Rayleigh, la amplitud
de las mismas decrece rápidamente con la profundidad. En general su existencia se puede
explicar por la presencia del vacío o un medio de menor rigidez, tiende a compensar la
energía generando este tipo especial de vibraciones.
Si pudiéramos “ver las ondas” sísmicas que viajan desde el hipocentro mirándolas desde
la superficie terrestre , veríamos un punto de la roca oscilando de arriba a abajo , y
cuando llegan a la superficie , como la densidad del medio en el que se van a refractar ,
es de menor densidad(el aire) , de acuerdo a la ley de Snell se alejarían de la normal , en
consecuencia cambian la dirección de propagación , aumentando su amplitud y se
“arrastran” y mueven las partículas de la superficie de un “lado a otro” y no de arriba
abajo”
El tema no es tan sencillo, pues se producen ondas de todos los tipos, las que llegan se
transforman en ondas del tipo Love, y las que aún están ascendiendo son Rayleigh.
Aparte de las rareferacciones, los trenes de ondas, las ondas sincronizadas , las
desfasadas, las superposiciones positivas , que aumentan la amplitud, las negativas que
producen el efecto contrario , es decir en un sismómetro o sismógrafo se vería un registro
que no es muy claro , pero que hay que interpretar y modelar.
Velocidad de las Ondas
Se puede demostrar teóricamente y se observa experimentalmente que la velocidad de las
ondas es tal que: VR,L < Vs < Vp. Donde Vp, Vs y VR,L son las velocidades de las ondas
P, S y de Rayleigh y Love respectivamente. Entre estas dos últimas no puede establecerse
un orden de velocidades porque esta depende de muchos factores y no siempre viajan con
la misma velocidad.
Las velocidades de las diferentes ondas dependen de las características del medio; por
ejemplo, en rocas ígneas la velocidad de las ondas P es del orden de 6
,(¡21.600km/h!)
Km/s
mientras que en rocas poco consolidadas es de
aproximadamente 2 Km/s o menor.
La secuencia típica de un terremoto es: primero el arribo de un ruido sordo causado por
las ondas ("P"), luego las ondas ("S") y finalmente el "retumbar" de la tierra causado por las
ondas superficiales.