Resumen de Desarrollos metodológicos para el estudio de eventos sísmicos y mejora de sistemas de alerta temprana basada en la información de la deformación superficial y la aceleración obtenida a partir de observaciones GNSS-GPS
José Ángel Cibeira Urtiaga
A lo largo de los últimos 25 años los sistemas de posicionamiento por satélite (GNSS) se han consolidado como una herramienta fundamental para el estudio de geodinámica. En particular, se han probado como una herramienta de gran utilidad en aquellas zonas de gran actividad sísmica, que complementa a las estaciones sísmicas tradicionales. Los sistemas GNSS permiten la obtención del desplazamiento en superficie de forma directa, sin necesidad de hacer una inversión de los datos de aceleración, obteniéndose de esta manera valores mucho más precisos (al no verse afectado por la amplificación de los errores al integrar dos veces los valores de aceleración).
Para poder obtener de manera directa los valores de desplazamiento es necesario que las estaciones GNSS se desplieguen en zonas próximas al epicentro, especialmente cuando se trata de eventos de magnitud media o pequeña, donde los desplazamientos en superficie alcanzan unos pocos centímetros. Estos resultados se extraen del estudio de la serie temporal que cada estación GNSS genera, y de la perturbación en la misma que un terremoto induce.
La serie temporal es el resultado del procesado de un set de datos generados por las estaciones receptoras, siguiendo una determinada estrategia que busca eliminar los errores derivados del propio sistema (efectos atmosféricos, relativistas, multipath, ambigüedad de fase y de los estados de los relojes de satélite y receptor entre otros). Por ello estrategias de procesado como dobles y triples diferencias (procesado diferencial) permiten la mitigación e incluso eliminación de parte de estos errores obteniendo resultados de gran precisión, llegando en ocasiones a valores milimétricos. Sin embargo, estas estrategias parten de la base del uso de estaciones de referencia cuyas distancias a las antenas objeto del procesado, para obtener los resultados más precisos, no deben ser superiores a unas decenas de kilómetros. Sin embargo, cuando el objeto del estudio es un evento sísmico de gran magnitud, las estaciones de referencia que se usan en el procesado diferencial también se ven afectadas por el evento. Por lo tanto, el empleo de otras estrategias alternativas es recomendable. En concreto la estrategia PPP permite el procesado de los datos GNSS con unos buenos márgenes de precisión, manteniendo la independencia de estaciones de referencia. Para mejorar el resultado del procesado se emplean efemérides finales que, a pesar de suponer una mejora en la precisión, como contrapartida presentan el inconveniente de la disponibilidad, que se emplaza en torno a los 14 días.
Para procesar los datos GNSS (a partir de ahora hablaremos de datos GPS, ya que para el presente trabajo se han empleado los datos correspondientes a esa constelación de satélites) es necesario emplear un software específico, que permita trabajar con los ficheros de observación y las efemérides precisas. Para este estudio se han empleado dos softwares diferentes. En primer lugar, el software Bernese, en su versión 5.2, desarrollado por la Universidad de Berna. Se trata de una herramienta optimizada para el empleo de la estrategia de dobles diferencias, si bien permite la posibilidad de emplear la estrategia PPP. Para poder sacar el máximo partido al procesado cinemático, incluido el procesado de datos a 1 Hz de decimado, es necesario hacer ciertas modificaciones en el código fuente. Al no estar optimizado para PPP, los resultados que se obtienen no son tan buenos como los conseguidos con otros softwares. Se decide su uso por lo extendido que está en la comunidad científica, y para probar su uso según la metodología propuesta.
V El otro software que se emplea es GIPSY-OASIS (GOA), desarrollado por el Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA. Si bien está optimizado para el uso de la estrategia PPP, cabe reseñar que emplea una variación de la técnica, siendo en algún punto parecida a la estrategia de dobles diferencias.
Si bien ambos productos pueden emplear las efemérides precisas calculadas por el International GNSS Service (IGS), los desarrolladores de cada software cuentan con su propio centro de cálculo, generando efemérides finales, rápidas y ultra-rápidas, de la misma forma que hace el IGS. Para este trabajo se han empleado los productos finales generados por cada centro de cálculo asociado al software desarrollado (CODE en el caso de BERNESE y JPL en el caso de GOA). Para este estudio se han seleccionado tres eventos de diferentes magnitudes: el terremoto de Tohoku-Oki (Japón) de 2011 de magnitud 9, el terremoto de Amatrice (Italia) de 2016 de magnitud 6,2 y el terremoto de Lorca (España) de 2011 de magnitud 5,1. Se estudiarán las series temporales obtenidas al procesar datos GPS de redes geodésicas cercanas a las zonas afectadas por los terremotos antes listados, y cuando en estas se aprecie de manera clara el impacto de las ondas superficiales sobre ellas, se estudiarán una serie de parámetros enfocados a caracterizar el terremoto. Entre otras cosas, se busca dilucidar el comportamiento a medida que la onda sísmica recorre el camino entre la fuente (epicentro) y las diferentes estaciones GPS que registran el evento. Se busca de esta manera buscar cómo se van atenuando las ondas a medida que la distancia epicentral aumenta, llegando a una ley de atenuación.
Por otra parte, dado que el resultado directo del procesado son desplazamientos, al derivar dos veces en el tiempo la serie temporal obtendremos una nueva serie, esta vez representando los valores de aceleración. Estos valores se comparan con los obtenidos por sismógrafos lo más cercanos posible a las estaciones. Los resultados ofrecen valores similares a los obtenidos derivando las series de desplazamiento, lo que permitiría la completa caracterización de un terremoto empleando únicamente estaciones GPS.
