Estimación de Magnitud del Desplazamiento en Estaciones GPS pos Terremoto en Chile 27-02-2010

Introducción

A raíz del terremoto de magnitud 8.8 Richter que ocurrió en Chile el día 27 de febrero de 2010, Ingenieros Geomensores y egresados de la misma carrera de la Universidad de Santiago de Chile, movidos por inquietud personal, decidieron en principio de forma aislada y después aunando esfuerzos, realizar un diagnóstico del desplazamiento que podrían haber sufrido algunas estaciones GPS que cuentan con observaciones antes, durante y después del terremoto.
Contando con herramientas de uso común en sus lugares de desempeño profesional, como programas comerciales de procesamiento, datos GPS de estaciones activas de libre disposición y datos cedidos por empresas o entidades, fue posible reunir antecedentes en las ciudades de Copiapó, Santiago, Viña del Mar, Talca, Concepción, Mulchén y Maihue en Chile, además de observaciones en la ciudad de Mendoza, San Juan, Salta y Esquel en Argentina.
Los alcances de este estudio preliminar son estimar la sensibilidad de las mediciones en la detección de desplazamientos de vértices materializados y evaluar el desplazamiento con nivel decimétrico de precisión.

Metodología de Estudio

Considerando que la influencia significativa de eventuales desplazamientos de estaciones GPS ocurrió en el territorio chileno al menos entre Valparaíso y la ciudad de Concepción, como también en las Provincias de Mendoza y San Juan en Argentina, se utilizaron para el estudio estaciones activas GPS lejanas del epicentro, ubicadas en Copiapó – Chile (COPO), en Argentina en la Provincia de Salta (UNSA) además de (ESQU) en la Provincia de Chubut.
De esta forma se realizaron determinaciones relativas utilizando programas de pos procesamiento GPS desde las estaciones no desplazadas debido a su lejanía.
Adicionalmente, con objeto de tener una segunda visión de desplazamientos, se recurrió al procesamiento absoluto mediante la técnica PPP (Precise Point Positioning), técnica de pos procesamiento que no requiere de estaciones de referencia. Este método utiliza las observables; código C/A y fase de las portadoras junto con archivos de efemérides precisas y correcciones de los relojes de los satélites, información puesta a libre disposición de los usuarios por los Centros de Análisis del IGS (International GNSS Service), este se utilizó en las Estaciones GPS de Referencia Activas que captaron datos durante el movimiento sísmico.

Estaciones de Referencia Activas y Vértices GPS disponibles

Las estaciones utilizadas para este estudio se presentan a continuación

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A continuación se presentan algunas imágenes de las estaciones de referencia utilizadas:

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SANT
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CONZ
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MZAS
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ESRI
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MZAC
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CFAG
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UTAL
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ESQU

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Validación de las Coordenadas de Referencia

Con el propósito de separar el efecto que puede provocar la asignación de coordenadas fijas en las probables estaciones de referencia y tomando en cuenta que UNSA y ESQU se encuentra en zona nominalmente no afectada por el sismo, se procedió a estimar la variación de las coordenadas de las estacione COPO, CFAG, MZAC y MZAS, a partir de UNSA, con datos de 24 horas, al menos de dos días anterior y dos días posterior al terremoto. Los resultados arrojan las siguientes variaciones de coordenadas entre antes y después del sismo, con dispersiones al 95% de confianza.

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(*) magnitud del desplazamiento del mismo orden de la precisión del método

Las estaciones CFAG y COPO presentan variaciones centimétricas con precisión del mismo orden de magnitud, ello las valida como estaciones fijas para los fines de este estudio. Sin embargo, las estaciones MZAC y MZAS presentan variación superior al decímetro, por ello se excluyen de la consideración de fijas.

Presentación de Resultados

Las magnitudes a estudiar son referidas a variaciones en componentes horizontal y vertical, por ello se decidió referirlas a la proyección UTM, que al ser de pocos metros en magnitud, para este caso específico, son consideradas iguales a las horizontales locales en la superficie terrestre.
A fin de resumir y facilitar la lectura, se recurrió principalmente a la presentación de resultados en forma tabular y resultados finales en forma de mapa de variación de coordenadas según las componentes Este, Norte, Altura y sus combinaciones.

Procesamiento Relativo

Utilizando las estaciones COPO, UNSA, CFAG y ESQU como referencia se procesaron las estaciones VM01, SANT, ESRI, UTAL, CONZ, MULC, MC07, dos días antes y dos días después del movimiento sísmico, un resumen de las variaciones obtenidas se presenta a continuación:

Variación desde COPO:

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(1) mediciones sin redundancia

Variación desde CFAG:

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(1) mediciones sin redundancia

Variación desde ESQU

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Las estaciones METR, ESRI y UTAL están montadas sobre edificios, los que eventualmente pueden haber sufrido movimientos durante el sismo más allá del movimiento de la superficie terrestre, sin embargo, consultados los encargados de la administración de los datos GPS de dichas estaciones, todos ellos informaron que el edificio que soporta las antenas y el emplazamiento de la antena GPS no sufrió alteraciones después del terremoto, quedando en la misma posición relativa al edificio, por lo tanto sin influencia de este tipo en los datos adquiridos después del sismo.

Mapa de Vectores de Desplazamiento de las Estaciones GPS

El mapa a continuación presenta los vectores de desplazamiento, los cuales se obtuvieron tomando en cuenta la variación en coordenadas este y norte.

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El mapa anterior representa magnitudes de desplazamiento estimados mediante procesamiento relativo de las estaciones GPS estudiadas pos terremoto

Procesamiento mediante PPP

Debido a la cantidad de horas de datos que poseen las estaciones activas es posible realizar el procesamiento mediante la técnica Precise Point Positioning (PPP). Se procesó en modo cinemático, obteniendo coordenadas a tasa de 15 ó 30 segundos según la configuración de la estación de referencia.
Se procesaron 3 horas antes del movimiento sísmico (03:00 a 06:00 UTC) y tres horas después (07:00 a 10:00 UTC) con un 95% de nivel de confianza, se presenta a continuación la variación de coordenadas:

Variación de Coordenadas Mediante PPP

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Se percibe que las variaciones estimadas mediante esta técnica entrega resultados similares a los obtenidos mediante el procesamiento relativo.

Comportamiento Estaciones Activas durante el Terremoto mediante PPP

Si bien se procesaron una cantidad importantes de horas, se presenta en forma gráfica sólo un segmento de los resultados. Considerando que el terremoto se produjo a las 06:34:14 UTC (según U.S. Geological Survey) los siguientes gráficos presentan el comportamiento de las coordenadas Este, Norte y Altura durante 14 minutos, desde las 06:30 a las 06:44 UTC, en las siguientes estaciones de referencia COPO, SANT, CONZ, MZAC y CFAG.

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De las estaciones estudiadas COPO es la única que no presenta cambio significativo en sus coordenadas. CONZ es la primera estación en representar el movimiento sísmico a las 6:34:30, consecuente con el horario oficial de ocurrencia del terremoto, SANT y MZAC lo perciben a las 6:36:15 y CFAG a las 6:37:30.

Procesamiento en Modo Cinemático

El procesamiento en modo cinemático, con base en las estaciones COPO y MZAC, de los datos pertenecientes a estación METR muestran clara variación significativa de la tendencia de sus coordenadas, antes y después de transcurrido el sismo, en un lapso de aproximadamente dos minutos. A continuación se presentan sus gráficos y valores de tendencia, antes y después del sismo.

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La siguiente tabla presenta la variación de las coordenadas pre y post terremoto en modo cinemático:

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Análisis
  1. Respecto de la sensibilidad de las mediciones
    Los resultados de los procesamientos relativos y mediante PPP muestran que la sensibilidad de las variaciones de las coordenadas se encuentran en el orden de 0,1 metros con un nivel de confianza del 95%, de esa manera los valores de desplazamientos obtenidos en el presente estudio no pueden ser estimados con resolución mejor que esa magnitud.

  2. Respecto de la precisión de las determinaciones
    Siendo que las estimaciones de desplazamiento tienen dispersión de 0,1 metros, la redundancia de ellas permite asegurar que los resultados tienen al menos ese grado de significancia.
  3. Respecto de la extensión de influencia
    No siendo una situación ideal respecto a la densidad y distribución de vértices de los que se contó con datos, no es posible inferir magnitudes de desplazamientos en zonas intermedias.
  4. Respecto del tiempo de los sucesos
    Información del procesamiento en PPP, es la diferencia horaria en que se percibe el movimiento sísmico en las estaciones de monitoreo continuo. Siendo que el instante declarado del sismo es 06:34:14 UTC, en las estaciones se detectan los desplazamientos a diferente época de medición, tomando en cuenta que las mediciones fueron realizadas a tasa de 15 y 30 segundos, ellas son:
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Conclusión

En virtud de los desplazamientos detectados en las estaciones estudiadas, queda de manifiesto la necesidad de remedición de las estaciones GPS en las zonas afectadas por el sismo.

Autores

Rene Zepeda; Universidad de Santiago de Chile; rene.zepeda@usach.cl
Diego Ortiz Jiménez; Innovageo; diego.ortiz@innovageo.com
Ariel Silva Hidalgo; asilvah@gmail.com
Braulio Galvez Sandoval; Esri Chile S.A.; bgalvez@esri-chile.com
Luis Valdés Mora; Digimapas Chile Ltda.; luis.valdes@digimapas.cl
Santiago, marzo de 2010

Agradecimientos

Los autores dejan expresado su agradecimiento por el apoyo y la cesión de datos a:
Universidad de Talca – Centro de Geomática
Esri Chile S.A.
Digimapas Chile Ltda.
Interra S.A.
Hidroeléctrica Trayenko S.A.

Fuentes de Información:

National Earthquake Information Center – NEIC – http://earthquake.usgs.gov/regional/neic/
RAMSAC – Red Argentina de Monitoreo Satelital Continuo – http://www.ign.gob.ar/node/12
The International GNSS Service (IGS) – http://igscb.jpl.nasa.gov/
SIRGAS – Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas – http://www.sirgas.org

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