Ondas sísmicas: fundamentos físicos y clasificación

Definición y concepto

Las ondas sísmicas constituyen un fenómeno físico fundamental en la geofísica y la sismología, definidas técnicamente como ondas elásticas. Estas perturbaciones se caracterizan por la propagación de variaciones temporales en el campo de tensiones a través de los medios materiales que componen la Tierra. Su generación está intrínsecamente ligada a la dinámica interna del planeta, específicamente a los pequeños movimientos que ocurren en las placas tectónicas. Cuando estas masas rocosas se desplazan, fracturan o se ajustan, liberan energía acumulada que se transmite en forma de vibraciones elásticas a través de la corteza, el manto y, en menor medida, el núcleo terrestre.

Naturaleza elástica y propagación

La definición de estas ondas como "elásticas" es crucial para comprender su comportamiento físico. A diferencia de las ondas electromagnéticas, que pueden viajar a través del vacío, las ondas sísmicas requieren un medio material para propagarse. Este medio debe poseer propiedades elásticas, es decir, la capacidad de recuperar su forma original después de haber sido deformada por el paso de la perturbación. La propagación implica una transferencia de energía cinética y potencial a través de las partículas del material, sin un transporte neto de materia a larga distancia, aunque las partículas individuales oscilan alrededor de sus posiciones de equilibrio.

El origen de estas ondas reside en las perturbaciones del campo de tensiones. En el contexto tectónico, estas tensiones se acumulan debido a las fuerzas internas de la Tierra, como el flujo convectivo del manto y la gravedad diferencial. Cuando la tensión supera la resistencia friccional de las fallas geológicas, se produce un deslizamiento repentino. Este evento genera un foco sísmico (o hipocentro) desde el cual las ondas se expanden en múltiples direcciones. La intensidad inicial de la onda depende de la magnitud del movimiento de la placa y de las propiedades mecánicas de las rocas involucradas en la ruptura.

Es fundamental distinguir que no todos los movimientos tectónicos generan ondas sísmicas perceptibles por los instrumentos convencionales; sin embargo, el principio físico subyacente permanece igual. La eficiencia con la que la energía se transforma en ondas elásticas determina la sismicidad de una región dada. Este proceso de generación y propagación es la base sobre la cual se construye toda la clasificación posterior de las ondas sísmicas, diferenciando entre aquellas que viajan por el interior del planeta y aquellas que recorren su superficie.

¿Cómo se clasifican las ondas sísmicas?

Las ondas sísmicas se clasifican fundamentalmente según su trayectoria de propagación a través de la estructura terrestre. Esta distinción física separa las ondas en dos categorías principales: las ondas internas, también conocidas como ondas de cuerpo, y las ondas superficiales. Esta clasificación es esencial para comprender cómo la energía elástica generada por movimientos en las placas tectónicas viaja desde el foco del sismo hasta la superficie y más allá.

Ondas de cuerpo

Las ondas de cuerpo se propagan a través del interior de la Tierra. Dentro de esta categoría, existen dos tipos fundamentales definidos por su dirección de vibración en relación con la dirección de propagación. Las ondas P (primarias) son ondas longitudinales. Esto significa que las partículas del medio vibran en la misma dirección en la que viaja la onda. Debido a esta característica mecánica, las ondas P son las más rápidas y suelen ser las primeras en ser registradas por los sismógrafos.

Por otro lado, las ondas S (secundarias) son ondas transversales. En este caso, las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Las ondas S viajan más lento que las ondas P, lo que explica su llegada posterior a los puntos de observación. La diferencia en las velocidades de estas dos ondas permite a los investigadores calcular la distancia al epicentro del terremoto.

Ondas superficiales

Las ondas superficiales se generan cuando las ondas de cuerpo alcanzan la superficie terrestre y comienzan a viajar a lo largo de ella. Estas ondas son responsables de la mayor parte de los daños en las construcciones debido a su mayor amplitud y duración. Existen dos tipos principales de ondas superficiales: las ondas Love y las ondas Rayleigh.

Las ondas Love producen un movimiento horizontal de las partículas del suelo, lo que genera un efecto de balanceo lateral en las estructuras. Por su parte, las ondas Rayleigh provocan un movimiento elipsoide de las partículas, similar al movimiento de las olas en el mar, combinando componentes verticales y horizontales. Ambos tipos de ondas superficiales son cruciales para la ingeniería sísmica y el análisis del daño estructural.

Aplicaciones en astrosismología

La clasificación de las ondas sísmicas no se limita exclusivamente a la Tierra. En la astrosismología, el estudio de las vibraciones en otros cuerpos celestes, existen otros modos importantes de propagación de ondas. Estos modos permiten a los científicos analizar la estructura interna de planetas, lunas y estrellas, utilizando principios físicos similares a los aplicados en la sismología terrestre. La comprensión de estos modos de onda amplía el alcance de la física de ondas elásticas más allá de nuestro planeta.

Propiedades de las ondas internas

Las ondas internas, también denominadas ondas de cuerpo, se propagan a través del interior de la Tierra y se clasifican principalmente en dos categorías según su modo de vibración y velocidad de propagación. Estas ondas son fundamentales para la sismología, ya que permiten determinar la estructura interna del planeta y la ubicación del epicentro de los terremotos. La distinción entre estas ondas radica en la dirección del movimiento de las partículas del medio respecto a la dirección de propagación de la onda.

Ondas P (Primarias)

Este tipo de movimiento genera compresiones y rarefacciones sucesivas en el material atravesado. Debido a su naturaleza, las ondas P son las más rápidas de las ondas sísmicas, llegando primero a los sismógrafos, de ahí su denominación de "primarias". Estas ondas pueden propagarse a través de sólidos, líquidos y gases, lo que permite que atraviesen tanto la corteza como el manto y el núcleo de la Tierra.

Ondas S (Secundarias)

Las ondas S son ondas transversales, donde el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Este movimiento de cizalladura implica que las ondas S son generalmente más lentas que las ondas P, llegando en segundo lugar a las estaciones sísmicas. Una característica crítica de las ondas S es su capacidad limitada de propagación: pueden viajar a través de sólidos, pero su transmisión a través de líquidos y gases es menos eficiente o nula, dependiendo de la viscosidad y compresibilidad del medio fluido.

Las velocidades de estas ondas dependen de las propiedades elásticas y la densidad del medio. Para las ondas P, la velocidad está influenciada por el módulo de compresibilidad (K) y el módulo de cizalladura (μ), mientras que para las ondas S, depende principalmente del módulo de cizalladura (μ) y la densidad (ρ). Estas relaciones físicas explican por qué las ondas P viajan más rápido, ya que la compresibilidad general de los materiales suele ser mayor que su resistencia a la cizalladura.

Ondas P de segunda especie y teoría de Biot

Teoría de Biot para medios porosos saturados

La teoría de Biot, desarrollada por Maurice Biot, describe la propagación de ondas elásticas en medios porosos saturados. Esta teoría es fundamental para entender cómo las ondas sísmicas se comportan en la corteza terrestre, donde los poros están llenos de fluido. Según la teoría, existen dos tipos de ondas compresivas: la onda rápida (primera especie) y la onda lenta (segunda especie).

La onda rápida es una onda compresiva donde el fluido y el esqueleto sólido se mueven en fase. Esta onda es similar a la onda P en medios homogéneos y viaja más rápido. Esta onda es más lenta y tiene una mayor atenuación debido a la disipación de energía por la fricción entre el fluido y el esqueleto sólido.

La teoría de Biot es crucial para la interpretación de datos sísmicos en la exploración de yacimientos de petróleo y gas, así como en la caracterización de acuíferos. La comprensión de estas ondas permite una mejor interpretación de los datos sísmicos y una más precisa caracterización de los medios porosos.

Ondas de primera y segunda especie

Las ondas de primera especie, o ondas rápidas, son las más comunes en la propagación sísmica. Estas ondas son compresivas y viajan más rápido que las ondas lentas. En contraste, las ondas de segunda especie, o ondas lentas, son también compresivas pero se caracterizan por el movimiento fuera de fase del fluido y el esqueleto sólido. Estas ondas son más lentas y tienen una mayor atenuación.

La diferencia entre estas dos tipos de ondas es crucial para la interpretación de datos sísmicos. Las ondas rápidas son más fáciles de detectar y se utilizan comúnmente en la exploración sísmica. Las ondas lentas, aunque más difíciles de detectar, proporcionan información valiosa sobre las propiedades del medio poroso, como la permeabilidad y la saturación del fluido.

La teoría de Biot, al describir estas dos tipos de ondas, proporciona un marco teórico sólido para la interpretación de datos sísmicos en medios porosos saturados. Esta teoría es ampliamente utilizada en la geofísica y la ingeniería de yacimientos para la caracterización de medios porosos.

Características de las ondas superficiales

Las ondas superficiales se propagan a lo largo de la superficie de la Tierra y son fundamentales para comprender los efectos de los temblores en la corteza terrestre. A diferencia de las ondas de cuerpo, estas ondas decaen con la profundidad, concentrando su energía cerca de la superficie, lo que explica por qué causan la mayor parte de los daños en las construcciones. Se clasifican principalmente en dos tipos: ondas de Love y ondas de Rayleigh, cada una con características de movimiento distintivas.

Ondas de Love

Las ondas de Love, nombradas en honor a Augustus Edward Hough Love, fueron descritas por primera vez en 1911. Estas ondas son transversales y producen un movimiento horizontal de corte perpendicular a la dirección de propagación. Este movimiento lateral es particularmente efectivo para agitar las bases de los edificios, generando esfuerzos de cizalladura que pueden ser devastadores para estructuras no reforzadas. La velocidad de propagación de las ondas de Love depende de la estratificación de la corteza terrestre.

Ondas de Rayleigh

Las ondas de Rayleigh, identificadas por John William Strutt, Lord Rayleigh, en 1885, presentan un movimiento elíptico retrógrado en el plano vertical que contiene la dirección de propagación. Este movimiento combina componentes verticales y horizontales, creando un efecto de rodadura similar al de las olas del mar. Las ondas de Rayleigh suelen viajar ligeramente más lento que las ondas de Love y son responsables de una sensación de balanceo en las estructuras, afectando tanto la base como la altura de los edificios.

La comprensión de estas ondas es esencial en la ingeniería sísmica para diseñar estructuras capaces de resistir los diversos tipos de movimientos del suelo. El estudio detallado de las ondas superficiales permite a los ingenieros predecir cómo responderán las construcciones ante diferentes escenarios sísmicos, mejorando así la resiliencia de las zonas urbanas.

¿Qué son las oscilaciones libres?

Las oscilaciones libres representan un fenómeno fundamental en la sismología global, diferenciándose de las ondas sísmicas convencionales por su escala y modo de propagación. Mientras que las ondas elásticas generadas por movimientos en las placas tectónicas se clasifican en ondas internas y superficiales, las oscilaciones libres constituyen vibraciones de la Tierra en su totalidad. Estas vibraciones enteras del planeta son producidas exclusivamente por terremotos de gran intensidad, los cuales actúan como el martillo que pone en resonancia a la esfera terrestre. Este comportamiento transforma a la Tierra en un cuerpo vibrante complejo, donde las perturbaciones temporales del campo de tensiones no se limitan a viajar a través del medio, sino que lo hacen oscilar en su conjunto.

Mecanismo de generación y características físicas

La generación de estas oscilaciones requiere una energía cinética significativa, generalmente asociada a sismos de magnitud elevada. Cuando ocurren terremotos de gran intensidad, la energía liberada excita los modos normales de vibración de la Tierra. A diferencia de las ondas P longitudinales y las ondas S transversales, que viajan a través del interior o la superficie, las oscilaciones libres implican que toda la masa terrestre participa en el movimiento. Esto significa que la vibración no es local, sino global, afectando a puntos antipodales y distribuyendo la energía a través de la estructura interna del planeta. La Tierra, al ser un cuerpo elástico, responde a estas perturbaciones con frecuencias específicas que dependen de su estructura interna y sus propiedades físicas.

Importancia en la comprensión de la estructura terrestre

El estudio de las oscilaciones libres permite a los investigadores analizar la Tierra como un todo, proporcionando datos cruciales sobre su estructura interna. Al observar cómo vibra el planeta en su totalidad, se pueden inferir detalles sobre la densidad, la elasticidad y la estratificación de las capas terrestres. Estas vibraciones son fundamentales para complementar el análisis de las ondas sísmicas tradicionales. Mientras que las ondas superficiales, como las de Love y Rayleigh, causan la mayor parte de los daños en construcciones debido a su amplitud y duración, las oscilaciones libres ofrecen una visión más profunda y global de la respuesta elástica de la Tierra. La observación de estos modos de vibración ayuda a refinar los modelos geofísicos y a entender mejor cómo se propagan las perturbaciones temporales del campo de tensiones a escala planetaria.

Relación con otros tipos de ondas elásticas

Es crucial distinguir entre las ondas sísmicas clásicas y las oscilaciones libres. Las ondas elásticas generadas por movimientos en las placas tectónicas incluyen ondas internas y superficiales, cada una con características de propagación distintas. Las ondas P viajan más rápido que las ondas S, pero ninguna de estas explica por sí sola el comportamiento de vibración global. Las oscilaciones libres son el resultado de la superposición y la resonancia de múltiples modos de onda dentro del cuerpo terrestre. Este fenómeno ocurre después de que las ondas iniciales han recorrido el planeta varias veces, estableciendo un patrón de vibración estable. Comprender esta distinción es esencial para una clasificación física precisa de los movimientos sísmicos y para evaluar el impacto de las perturbaciones temporales del campo de tensiones en la dinámica terrestre.

Aplicaciones en exploración y geofísica

Las ondas sísmicas constituyen una herramienta fundamental en la geofísica y la exploración de recursos naturales, permitiendo a los investigadores analizar la estructura interna de la Tierra con una precisión considerable. La aplicación de estos fenómenos físicos se divide principalmente en dos áreas: el estudio detallado del interior terrestre y la exploración petrolífera, ambas basadas en el comportamiento de las ondas elásticas al propagarse a través de diferentes medios.

Estudio del interior de la Tierra

El análisis de la propagación de las ondas sísmicas ha revelado características clave de la estructura interna del planeta. Un aspecto crítico es la distinción entre materiales líquidos y sólidos mediante el comportamiento de las ondas S. Dado que las ondas S son transversales, su propagación depende de la rigidez del medio. Cuando estas ondas encuentran una capa líquida, como el núcleo externo, su velocidad cambia drásticamente o incluso desaparecen, ya que los líquidos no soportan esfuerzos cortantes significativos. Esta pérdida o variación en las ondas S permite a los geofísicos identificar con precisión las transiciones entre capas sólidas y líquidas en el interior terrestre.

Además, las variaciones en la velocidad de las ondas P, que son longitudinales, proporcionan información complementaria sobre la densidad y la composición de las capas internas. La comparación de las trayectorias y tiempos de llegada de ambas ondas permite construir modelos detallados de la estructura interna, identificando discontinuidades y cambios en las propiedades físicas de los materiales a distintas profundidades.

Exploración petrolífera y métodos de generación

En el ámbito de la exploración petrolífera, las ondas sísmicas se utilizan para mapear las capas subterráneas y localizar posibles reservorios de hidrocarburos. Para esto, es necesario generar fuentes de ondas controladas en la superficie o cerca de ella. Los métodos de generación más comunes incluyen el uso de dinamita, que produce una onda de choque aguda y de corta duración, ideal para capas superficiales. Otro método es el uso de geoflex, que implica la caída de pesas o la liberación de aire comprimido, generando ondas con características específicas según la profundidad objetivo.

Los vibradores sísmicos son ampliamente utilizados en la exploración terrestre, especialmente en áreas donde se requiere una fuente de energía continua y controlable. Estos dispositivos generan ondas de baja frecuencia que penetran profundamente en el subsuelo, permitiendo una mejor resolución de las capas más profundas. La elección del método de generación depende de las características geológicas del área de estudio y de la profundidad de los objetivos de exploración.

La interpretación de los datos sísmicos implica analizar cómo las ondas se reflejan, refractan y atenúan al pasar por diferentes capas de roca y fluido. Las variaciones en la velocidad de las ondas y la atenuación de las ondas S ayudan a identificar la presencia de materiales líquidos, como el petróleo o el agua, en los poros de las rocas reservorio. Esta información es crucial para tomar decisiones sobre la ubicación de los pozos de exploración y la evaluación del potencial productivo de un yacimiento.

Ejercicios resueltos

Ejercicio 1: Cálculo de la velocidad de la onda P en la corteza terrestre

Se desea determinar la velocidad de propagación de una onda longitudinal (onda P) a través de una capa de la corteza terrestre compuesta principalmente por granito. Se proporcionan los siguientes parámetros físicos del material: densidad (ρ) de 2700 kg/m³, módulo de compresibilidad (K) de 50 GPa y módulo de cizalladura (μ) de 30 GPa.

La fórmula para calcular la velocidad de la onda P (Vp​) en un medio elástico isotrópico es:

Primero, se deben homogeneizar las unidades. Los módulos elásticos están en GPa, por lo que se convierten a Pascales (Pa): K=50×109 Pa y μ=30×109 Pa. Sustituyendo los valores en la ecuación:

Calculando el término del numerador: 50×109+40×109=90×109 Pa. Luego, dividimos por la densidad: 90×109/2700=33,333,333.33 m²/s². Finalmente, tomamos la raíz cuadrada:

La velocidad de la onda P en este medio es aproximadamente 5773.5 m/s.

Ejercicio 2: Cálculo de la velocidad de la onda S en el manto superior

Se analiza la propagación de una onda transversal (onda S) en una región del manto superior terrestre. Los datos disponibles son: densidad (ρ) de 3300 kg/m³ y módulo de cizalladura (μ) de 70 GPa. Es importante notar que las ondas S dependen únicamente del módulo de cizalladura y la densidad, ya que son ondas de corte.

La fórmula para la velocidad de la onda S (Vs​) es:

Convertimos el módulo de cizalladura a Pascales: μ=70×109 Pa. Sustituimos los valores:

Realizamos la división: 70×109/3300≈21,212,121.21 m²/s².

La velocidad de la onda S en esta capa del manto es aproximadamente 4605.7 m/s. Como se observa, V_s < V_p, lo cual es consistente con la teoría de ondas elásticas.

Véase también

• Historia de la termodinámica: línea del tiempo y hitos clave
• Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
• Definición de física mecánica
• El sistema solar
• Primera y segunda ley de la termodinámica: fundamentos y aplicación

Referencias

1. «ondas sismicas» en Wikipedia en español
2. Seismic Waves — USGS Earthquake Hazards Program
3. Introduction to Seismology — IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology)
4. Seismic Waves — Britannica
5. Fundamentals of Seismology — AGU (American Geophysical Union)