ESTUDIO DE RESONANCIA DE ONDAS LARGAS EN LA PLATAFORMA CONTINENTAL CHILENA

Abstract

Considerando el impacto en términos de vidas y daños materiales que los eventos de tsunami han tenido en costas alrededor del mundo, y particularmente en el caso chileno, es necesario estudiar que procesos fı́sicos tienen una mayor preponderancia en el nivel de riesgo asociado a cada evento. Lo anterior permitirá establecer metodologı́as claras para una mejor planificación del uso de suelo y los protocolos de evacuación en emplazamientos costeros. Con base en observaciones durante estos eventos, ha sido posible establecer que en diversas locali- dades las olas más destructivas se manifiestan después de la llegada del primer frente del tsunami, a veces horas después del inicio de las alertas de evacuación. Lo anterior da luces sobre la presencia del fenómeno de resonancia, donde la energı́a contenida en el tsunami se ve atrapada, existiendo una amplificación de la amplitud del tsunami debido a las caracterı́sticas topo-batimétricas de la costa. Considerando la existencia de múltiples metodologı́as para el estudio de resonancia, las que usualmen- te se utilizan en forma independiente, el presente trabajo combina análisis espectral y el método de los elementos finitos asociado a un problema de valores propios. Dicha conjunción permite determinar los perı́odos resonantes y los patrones espaciales de amplificación asociados a dichos perı́odos. Para la primera metodologı́a se utilizan datos medidos en mareógrafos ubicados en Arica e Iquique. Debido a la naturaleza del método se utilizaron datos correspondendientes a situaciones sin eventos de tsunami, ası́ como también registros para los tsunamis de Maule, Tohoku y Pisagua. Su procesamiento muestra que la resonancia permite explicar un alto porcentaje de la energı́a asociada a cada uno de los even- tos mencionados, lo que sugiere que parte importante de los daños causados por dichos maremotos tendrı́an un origen en la configuración topo-batimétrica. Para cada localidad se identificaron perı́odos especı́ficos asociados a la resonancia. El segundo método muestra la distribución espacial de las amplitudes asociadas a los perı́odos resonan- tes previamente encontrados. Se propone una metodologı́a de selección de los resultados provenientes de este método, encontrándose buena consistencia con los resultados del análisis espectral. La distri- bución de amplitudes resonantes muestra que la curva de profundidad de 200 metros, que define el ancho de la plataforma continental, resulta ser el accidente batimétrico que determina la extensión en planta de las amplitudes y el valor de los perı́odos resonantes para la costa norte de Chile. Los resultados son coherentes con el hecho de que zonas con mayor ancho de plataforma (Arica) pre- sentan sistemas resonantes asociados a perı́odos de mayor valor que aquellas donde la fosa se encuentra más próxima a la costa (Iquique). La consistencia de los resultados del presente trabajo con aquellos realizados por otros autores en la misma zona con un método diferente, permite establecer la validez de la información aquı́ presentada con miras a la mitigación de riesgos frente a tsunami en las costas del Norte de Chile. Sin embargo, la metodologı́a es aplicable al resto del paı́s.Considering the vast impact in terms of human losses and material damage that tsunamis have had in coastal communities around the world, especially in Chile, it is necessary to study which physical processes are relevant to the risk associated with each event. The previous will enable to establish clear methodologies for a better land use and improve the evacuation protocols in coastal communities. Based on measurements during these events, it has been possible to establish that waves that arrive after the first tsunami front have been identified as the most destructive ones. These waves sometimes arrive hours after evacuation alerts have been issued. The previous counts as evidence of resonant ef- fects associated with the topographic-bathymetric characteristics of bays and shelves, where tsunami energy is trapped causing wave-height amplification during a prolonged time. Considering the diverse existing methodologies to study resonance, which are commonly used inde- pendently, the present work combines spectral analysis with the finite element method associated to an eigenvalue problem. Such conjunction permits the calculus of the resonant periods and the spatial amplification patterns associated to them (vibration modes). The first methodology uses data measu- red in Arica and Iquique. The characteristics of this method require the use of event’s records (Maule, Tohoku and Pisagua) and of eventless records. Their processing shows that resonance explains a high percentage of the energy present in each event, suggesting that an important part of the damage cau- sed by those tsunamis would have an origin in the topo-bathymetric characteristics. Specific resonant periods were found for each location. The second methodology shows the spatial distribution of spectral amplitudes related to the resonant periods previously found. A methodology to discern and select results from this approach is proposed. It shows good agreement with the results obtained by means of spectral analysis. Amplitude distri- bution shows that the 200 m depth curve, which defines the shelf width previous to the trench, is the main bathymetric feature that defines the 2D horizontal extension of amplitudes and the values of periods. These results are coherent with the observed behavior, were zones with a wide continental shelf have larger resonant periods (Arica), while zones with a narrow continental shelf show smaller values for the periods (Iquique). The consistency of the results presented here with those proposed by other authors for the same zone, using different methodologies , enables to establish the validity of the periods and their spatial cha- racteristics. The developed methodology aims to mitigate future tsunami damage in in the Northern Chilean coast. However, its applicability is not restricted to this particular zone and can be extended to the rest of the country.