Sismologia
La sismologia és l’estudi científic dels terratrèmols, dels
seus mecanismes d’origen, de com es propaguen les ones i de les
característiques dels medis que les transmeten. La sismologia es centra en la mesura
i anàlisi de les ones generades per processos molt variats, tals com el
moviment de falles, però també explosions i d’altres activitats antròpiques. És
una branca clau de la ciència tant en l’estudi de com es produeixen i quina és
la perillositat dels terratrèmols generats pel moviment de les falles, com també
en l’exploració del subsòlTerrenys situats per sota de la superfície terrestre. Més i l’estructura profunda terrestre.
Apartats pricipals d'aquesta pàgina:
Dels inicis, a la sismologia moderna
Com es detecten i mesuren els terratrèmols
Localització d’epicentres
Determinació de la profunditat
Camps de recerca i aplicacions en sismologia
Selecció de material docent
Dels inicis, a la sismologia moderna
Els primers precursors de la sismologia es remunten a la invenció de sismoscopis. Es tracta de ginys rudimentaris dissenyats simplement per detectar terratrèmols però que aporten poca o cap informació sobre les característiques de les ones sísmiques i els seus temps d’arribada.
Model reduït del sismoscopi ideat per Zhang Heng l’any 132 DC (Dinastia Han, Xina). El vas original de bronze tenia uns 2 m de diàmetre. Els caps de drac s’orientaven segons els eixos cardinals. Cada un retenia entre les mandíbules una bola de bronze que amb una sacsejada sísmica s’alliberava i queia dins la boca del gripau corresponent, també de bronze, emetent un senyal acústic. Depenent de quin gripau atrapava la bola se’n podia deduir la direcció del terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més. El mecanisme intern d’alliberament de la bola no es coneix però probablement s’associava a un pèndol suspès a l’interior del vas connectat a les mandíbules dels dracs, tal i com il·lustra la imatge de la dreta. Aquest sismoscopi es considera el primer aparell que va captar un terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més d’intensitatValor numèric discret que indica els efectes que un sisme ha produït a les persones, als edificis i a l’entorn natural. Un mateix sisme es pot manifestar amb intensitats molt variables en diferents localitats, depenent de la distància al focus sísmic i d’altres característiques del terreny. Les escales d’intensitat sísmica més emprades actualment a Europa són les MSK-64, EMS-98, amb una diferenciació de graus des de I fins al XII, corresponent a una escala creixent de severitat dels efectes. Els valors d’intensitat s’expressen mitjançant nombres romans i, per tant, no accepten decimals. Els sismes de grau VI i VII causen danys lleus, els d’intensitat VII i IX són destructius i a partir del grau X són catastròfics. La intensitat es determina a partir d’informació sobre els efectes del terratrèmol que es recull per observació directa i d’enquestes a la població que l’ha experimentat…. Més inferior a la detectable per humans, l’any 143 DC (gran terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més de Gansu). L’aparell va indicar que s’hauria produit un terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més cap a la banda E de la seva localització, cosa que va ser confirmada dies després per un missatger a cavall procedent d’aquella zona.
Imatge CC-BY-SA List of Physical Visualizations by Dragicevic, Pierre and Jansen, Yvonne, https://dataphys.org/list/houfeng-didong-yi-zhang-hengs-seismoscope/, últim accés 2025-10-31, any 2012.
La sismologia inicia el seu desenvolupament principalment a partir de la recopilació de volums rellevants de dades sobre la percepció de terratrèmols i els seus efectes. És en aquests aspectes en el quals se centra la sismologia durant gran part del S XIX. És al llarg d’aquest període que apareixen els primers catàlegs sistemàtics de terratrèmols, amb la intenció inicial de revelar hipotètiques correlacions entre els esdeveniments sísmics i cicles astronòmics o meteorològics.
Paral·lelament a la iniciació dels catàlegs sísmics, durant el S XIX també es duen a terme els primers estudis sobre els efectes de terratrèmols singulars per part d’acadèmics individuals o grups d’experts per encàrrec d’administracions o societats científiques. El primer exemple d’un d’aquests encàrrecs s’associa al terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més de Calàbria de 1783. Un segle més tard l’estudi del terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més d’Andalusia de 1884 es va encarregar a tres comissions diferents d’Espanya, França i Itàlia. Aquests estudis locals permeten el desenvolupament dels nous conceptes i vocabulari necessaris per establir les primeres escales d’intensitatValor numèric discret que indica els efectes que un sisme ha produït a les persones, als edificis i a l’entorn natural. Un mateix sisme es pot manifestar amb intensitats molt variables en diferents localitats, depenent de la distància al focus sísmic i d’altres característiques del terreny. Les escales d’intensitat sísmica més emprades actualment a Europa són les MSK-64, EMS-98, amb una diferenciació de graus des de I fins al XII, corresponent a una escala creixent de severitat dels efectes. Els valors d’intensitat s’expressen mitjançant nombres romans i, per tant, no accepten decimals. Els sismes de grau VI i VII causen danys lleus, els d’intensitat VII i IX són destructius i a partir del grau X són catastròfics. La intensitat es determina a partir d’informació sobre els efectes del terratrèmol que es recull per observació directa i d’enquestes a la població que l’ha experimentat…. Més sísmica.
L’any 1847 s’elabora la primera cartografia de distribució d’intensitats, cosa que permet inferir l’existència d’ones que s’expandeixen des d’una zona central. També al segle XIX es comencen a fer observacions sobre canvis topogràfics ocasionats per terratrèmols, incloent ruptures superficials del terreny. Els treballs de Poisson sobre el comportament dels materials elàstics i la seva relació amb diferents tipus d’ones i les seves velocitats van ser incorporats als primers models teòrics de localització de la font de terratrèmols basat en els temps d’arribada de les ones sísmiques.
La sismologia va experimentar un gran avenç al Japó a ran del terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més de 1880 i i de la posada en marxa de noves institucions científiques en aquell país que incorporaven físics i enginyers japonesos, nord-americans i europeus. Això va esperonar la construcció dels primers sismògrafs moderns que permetien un registre continu relativament fiable. La major precisió i detall que oferien aquells nous sismògrafs revelaven per primer cop la gran complexitat de les ones sísmiques.
La relació causal existent entre el trencament de falles i els terratrèmols es va anar fent cada cop més evident al llarg de la primera dècada del Segle XX gràcies a diverses observacions sobre els efectes superficials de diversos terratrèmols esdevinguts entre els anys 1855 i 1906 a Nova Zelanda, California i el Japó. El 1910 Reid va formular la teoria actualment acceptada de la recuperació de la deformació elàstica, segons la qual els terratrèmols resulten de l’alliberament sobtat d’esforços acumulats durant llargs períodes de temps. Aquesta teoria proporciona el mecanisme fonamental de producció de terratrèmols i es considera l’inici de la sismologia moderna.
Com es detecten i mesuren els terratrèmols
Els sismògrafs són aparells clau en el desenvolupament de la sismologia. Els sismòmetres es basen en el principi d’inèrcia.
Esquema general d’un sismògraf capaç de registrar les oscil·lacions verticals del terreny. Durant un terratrèmol, l’estructura que conté el cilindre en rotació es mou d’acord amb els moviments del terreny però la massa suspesa i el marcador es mantenen immòbils. El cilindre es desplaça verticalment i registra només les oscil·lacions de component vertical. Els sismòmetres normalment tenen dispositius similars als de la figura, però orientats en els tres eixos de l’espai (nord-sud, est-oest, zenit-nadir) per tal de registrar les oscil·lacions en les tres dimensions. Figura adaptada de IRIS (2012) «How Does a Seismometer Work?» Creative Commons Atribution CCBY 4.0 https://www.iris.edu/hq/inclass/fact-sheet/how_does_a_seismometer_work
Els primers sismògrafs eren purament mecànics i enregistraven les oscil·lacions del terreny damunt de bandes de paper, com el de la figura. Actualment els aparells tenen sensors, amplificadors i sistemes enregistradors electrònics digitals connectats a ordinadors en xarxa.
Els avenços i noves aproximacions de la sismologia han estat possibles gràcies a:
- innovacions tecnològiques continuades en els camps dels materials, de l’electrònica i sistemes de control;
- el desenvolupament de nous sismògrafs capaços de detectar i descriure en major detall diferents parts de l’espectre de freqüències que generen els terratrèmols, segons el problema sismològic plantejat;
- el desplegament de xarxes de sismòmetres cada cop més denses;
- l’increment de la capacitatCombinació de totes les fortaleses, atributs i recursos disponibles en una organització, comunitat o societat per gestionar i reduir el risc de desastres i enfortir la resiliència. La capacitat i la vulnerabilitat són l’invers l’un de l’altre. L’augment de capacitat en una societat en redueix la vulnerabilitat. Més de càlcul i interconnexió dels nous sistemes informàtics, necessari per al filtratge i anàlisi dels senyals sísmics registrats en les xarxes de sismògrafs.
La millora en la precisió dels sismògrafs va permetre plantejar un dels reptes centrals de la sismologia encara vigent, consistent en discernir quina part de la complexitat de les ones enregistrades és deguda al comportament de la font (sigui el moviment sobtat d’una fallaUna falla és una discontinuïtat o fractura a l’escorça terrestre que separa dues masses rocoses que han experimentat moviment relatiu entre elles. Quan aquest moviment relatiu entre blocs rocosos separats per una falla es produeix de forma brusca es genera un terratrèmol. Més o altres mecanismes) i quina és deguda a la propagació de les ones a través de la Terra o al llarg de la seva superfície.
Localització d'epicentres
Les ones P són més ràpides que les ones S. Això provoca que com més lluny estem del focus d’un terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més més gran resulta la separació temporal entre el moment d’arribada de les ones P i l’arribada de les ones S. Com que coneixem la diferència entre les velocitats d’un i altre tipus d’ones, mesurant el decalatge temporal entre l’arribada de les ones P i les S podem deduir a quina distància (D) es troba el focus del terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més. Això ens permet traçar, sobre el mapa un cercle de radi D que té com a centre l’estació sísmica, de manera que el focus del terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més es pot trobar a qualsevol punt damunt del cercle traçat. Per tant, amb un únic sismograma sabem a quina distància es troba l’epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més, però no sabem en quina direcció es troba respecte a l’estació de mesura.
Si tenim dues estacions sismològiques, a partir de les diferències entre ones P i S podem traçar damunt del mapa dos cercles, cada una amb el seu radi (D1 i D2, a la figura). Normalment els dos cercles s’intersequen en dos punts, que indiquen dues possibles posicions de l’epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més del terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més. Aquesta ambigüitat la podem eliminar mitjançant una tercera estació sísmica, que ens permet generar un nou cercle (de radi D3). Amb tres estacions els tres cercles es creuen en un únic punt, que correspon a la localització de l’epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més. Aquest mètode s’anomena triangulació.
Mètode de triangulació per a deduir la localització de l’epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més de terratrèmols. A, B i C són els sismògrafs més propers que enregistren el terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més 1. Com que es troben a distàncies diverses respecte a l’epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més, els sismogrames resultants difereixen en les característiques següents:
· les primeres oscil·lacions (ones P) apareixen abans al sismograma A, uns minuts més tard a B i encara més tard a C;
· l’amplitud de les ones rebudes decreix entre A, B i C;
· la distància entre el temps d’arribada de les ones P i S augmenta entre A, B i C;
La mesura del decalatge entre les ones P i S permet calcular la distància a l’epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més a la qual es troba cada sismògraf. Això permet traçar un cercle del diàmetre corresponent (D1, D2 i D3) per cada sismògraf. La localització de l’epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més 1 correspon al punt en el qual intersequen els tres cercles, simbolitzat amb una estrella petita.
La disposició dels sismògrafs respecte al focus intervé en la precisió amb la qual podem determinar l’epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més. Això és especialment rellevant en la localització d’epicentres de terratrèmols generats en zones marines (p. ex. terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més 2) degut al fet que hi ha molt pocs sismòmetres instal·lats en zones submergides. En aquests casos la geometria de la triangulació no és tan favorable com en zones continentals i no permet deduir amb tanta precisió la localització dels epicentres (epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més 2), simbolitzat per una estrella més grossa.
Per tant, calen un mínim de tres estacions sismològiques per a localitzar l’epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més de cada terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més per triangulació. Si fem el mateix procediment amb un nombre més elevat d’estacions per cada terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més, les localitzacions poden resultar més precises.
Determinació de la profunditat d'hipocentres
Els sismogrames generats per terratrèmols profunds, en comparació als de terratrèmols superficials, es distingeixen per la baixa amplitud de les ones superficials i un patró d’ones P i S més simple que en el cas de terratrèmols soms.
Entre les primeres ones rebudes en un sismograma, hi ha ones compressives que han viatjat directament fins a l’estació sísmica (ones P) i també ones del mateix tipus però que han arribat a l’estació sísmica seguint un camí més llarg perquè s’han reflectit un cop (han rebotat) a la superfície terrestre relativament aprop de l’epicentreEs el punt de la superfície terrestre que es troba verticalment damunt del focus (o hipocentre) d’un terratrèmol. El focus és on es genera el terratrèmol (per lliscament d’una porció d’una falla) i l’epicentre és el punt de la superfície situat a la seva vertical. Més abans d’arribar al sismògraf. Aquestes ones reflectides s’anomenen pP i arriben una mica més tard incloses dins del paquet d’ones P. Com més profund es troba l’hipocentre d’un terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més més s’allarga el camí seguit per les ones pP abans de rebotar a la superfície i més gran és la diferència entre els temps d’arribada al sismògraf entre les ones P i les pP. Per tant, coneixent la velocitat de propagació de les ones compressives, la mesura d’aquest decalatge temporal (pP-P), ens permet deduir la profunditat del focus del terratrèmolUn terratrèmol és una vibració del terreny produïda per l’arribada d’ones elàstiques que viatgen fins el punt d’observació des d’una zona on hi ha hagut un moviment brusc a l’escorça terrestre, una explosió, o bé un impacte. Més. La mesura acurada de profunditats depèn d’una identificació correcta de les ones P i pP als sismogrames.
Els terratrèmols es poden classificar com a superficials (de 0 a 70 km), intermedis (70-300 km) o profunds (> 300 km de profunditat fins aproximadament 700 km). Els terratrèmols que superen els 70 km de profunditat es produeixen gairebé sempre associats a zones de convergència de plaques amb subducció d’escorça oceànica. La litosfera (amb comportament elàstic) s’enfonsa dins l’astenosfera, que es troba en estat sòlid tot i que amb capacitatCombinació de totes les fortaleses, atributs i recursos disponibles en una organització, comunitat o societat per gestionar i reduir el risc de desastres i enfortir la resiliència. La capacitat i la vulnerabilitat són l’invers l’un de l’altre. L’augment de capacitat en una societat en redueix la vulnerabilitat. Més de fluir. Les observacions mostren que es poden produir terratrèmols fins a poc més de 700 km de profunditat. No es comprèn bé quins mecanismes són responsables de terratrèmols a tals profunditats, ja que les condicions d’elevada pressió i temperatura no afavoreixen els comportaments fràgil i elàstic típics dels terratrèmols en zones superficials.
Camps de recerca i aplicacions en sismologia
La sismologia ha obert molts camps de recerca i d’aplicacions, entre els quals en destaquen:
- La detecció i caracterització de falles actives i de les vores de plaques tectòniques;
- Determinació de la perillositat sísmica regional;
- L’exploració de l’estructura profunda del planeta Terra i de l’existència de discontinuïtats entre materials de característiques diferenciades;
- L’exploració de l’estructura superficial terrestre i del subsol, necessària en l’exploració de recursos energètics, minerals i hídrics.
Selecció de material docent
Durada: 13’47»
Nivell d’ensenyament: ESO / Batxillerat
Llengua: Anglès
Títol original: ¿How Do You Locate the Epicenter of an Earthquake Using Triangulation?
Enllaç: https://www.youtube.com/watch?v=b0gI-F_13Fk
El vídeo explica com es determina la localització d’un terratrèmol a partir de la separació temporal entre l’arribada de les ones P i les ones S en sismogrames de tres estacions sísmiques.