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Subsurface Elastic Heterogeneity Across the Palolo Fault Revealed by HVSR-Derived Shear-Wave Velocity Models

Este estudio utiliza modelos de velocidad de ondas de cizalla derivados de HVSR para revelar la heterogeneidad elástica del subsuelo y los patrones de deformación ocultos relacionados con fallas a través de la Falla de Palolo en Sulawesi Central, Indonesia, integrando datos de vibración ambiental con la inversión de Algoritmo de Vecindad e interpolación de Kriging.

Autores originales: Zalsa Nabila HR, Valensya Arruan Silomba, Nurul Maghfirah, Samida Danda, Andri Moh. Wahyu Laode, Muhammad Altin Massinai, Muh. Farid Wajedy, Sofian Sofian

Publicado 2026-09-07

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CC BY 4.0

Autores originales: Zalsa Nabila HR, Valensya Arruan Silomba, Nurul Maghfirah, Samida Danda, Andri Moh. Wahyu Laode, Muhammad Altin Massinai, Muh. Farid Wajedy, Sofian Sofian

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El suelo bajo nuestros pies rara vez es uniforme. En muchos lugares, especialmente donde las placas tectónicas se rozan entre sí, la tierra está fracturada, erosionada y llena de grietas ocultas que cambian la forma en que viajan las ondas sísmicas. Estas variaciones en la rigidez y la densidad de los materiales subterráneos se conocen como heterogeneidad elástica. Cuando ocurre un terremoto, estas diferencias ocultas pueden amplificar el temblor, haciendo que el suelo se mueva más violentamente en algunos puntos que en otros, incluso en distancias cortas. Comprender dónde se encuentran estas zonas blandas e inestables es crucial para evaluar el riesgo, pero a menudo son invisibles desde la superficie, enterradas bajo el suelo, la vegetación o la roca joven. Para verlas, los científicos escuchan el zumbido constante y de baja intensidad de la tierra: las vibraciones ambientales causadas por el viento, las olas del océano y el tráfico distante. Al analizar cómo estas vibraciones rebotan y resuenan dentro del suelo, los investigadores pueden mapear las capas ocultas de roca y suelo sin cavar un solo agujero.

En el área geotérmica de Bora, en el centro de Sulawesi, Indonesia, un equipo de investigadores de la Universidad de Hasanuddin y de la Agencia Meteorológica, Climatológica y Geofísica se propuso mapear la arquitectura invisible de la falla de Palolo. Esta falla es una grieta activa en la corteza terrestre donde la tierra se está separando lentamente, un proceso que crea zonas complejas de roca rota y debilitada. Aunque la traza superficial de la falla es visible, lo que hay debajo sigue siendo un misterio. El equipo quería saber si la falla había creado bolsas distintas de material blando y fracturado que pudieran comportarse de manera diferente durante un terremoto en comparación con la roca sólida circundante. Para averiguarlo, colocaron veinticinco instrumentos sensibles a lo largo de dos líneas que cruzan la zona de la falla. Estos dispositivos registraron las vibraciones naturales de la tierra durante una hora en cada ubicación, capturando las señales sutiles que revelan la rigidez del suelo debajo.

Los investigadores procesaron estos registros para identificar la frecuencia específica a la cual el suelo en cada punto oscila naturalmente, de forma muy similar a como un columpio tiene un ritmo natural. Descubrieron que este ritmo variaba significativamente de una estación a otra. En algunas áreas, el suelo oscilaba lentamente, con una frecuencia dominante de tan solo 0,57 hercios, lo que sugiere capas gruesas de sedimentos blandos. En otros puntos, el suelo vibraba mucho más rápido, hasta 7,54 hercios, lo que indica capas más delgadas o rocas más duras cerca de la superficie. Al combinar estas mediciones con una técnica matemática que invierte los datos para construir un modelo del subsuelo, el equipo construyó una imagen detallada de la velocidad de la onda de cizalla, que es una medida de qué tan rápido viajan las ondas de temblor a través del material. Las ondas más rápidas significan roca más dura y sólida, mientras que las más lentas apuntan a un suelo más blando, roto o erosionado.

Los modelos resultantes revelaron un subsuelo que es mucho más complejo que una simple pila de capas planas. Los investigadores identificaron una zona distinta de ondas de movimiento lento, donde la velocidad era inferior a 500 metros por segundo, lo que indica suelos sueltos y no consolidados cerca de la superficie. Más abajo, encontraron capas intermedias que se movían entre 500 y 1.500 metros por segundo, que probablemente representan sedimentos compactados o roca erosionada. Debajo de eso, el suelo se volvió rígido nuevamente, con velocidades superiores a los 1.500 metros por segundo, marcando la transición a la roca madre sólida. Sin embargo, el descubrimiento más sorprendente no fue solo la presencia de estas capas, sino cómo cambiaban de forma y grosor en distancias cortas. A lo largo de una de las líneas de estudio, el equipo observó un engrosamiento significativo de los sedimentos blandos y de movimiento lento entre estaciones específicas, creando una profunda bolsa de material débil. En la otra línea, apareció una bolsa similar pero más pequeña de suelo blando engrosado cerca del centro.

Estas variaciones en el grosor y la rigidez de las capas subterráneas sugieren que la falla no solo ha movido el suelo hacia arriba y hacia abajo, sino que también ha fracturado y debilitado corredores específicos dentro de la roca. El equipo observó cambios abruptos donde las capas de roca parecían desplazarse o romperse, y encontraron canales verticales de material de movimiento lento que persistían en las profundidades. Estas características sugieren que la deformación causada por la falla no se limita a una sola línea limpia, sino que se distribuye en una zona de daño más amplia y compleja. Si bien es posible que estos patrones sean causados simplemente por diferencias en el tipo de roca o por la erosión natural, la ubicación y la forma de estas anomalías coinciden estrechamente con la trayectoria conocida de la falla, lo que sugiere que son un resultado directo de las fuerzas tectónicas en juego.

El estudio concluye que la falla de Palolo es un sistema estructuralmente complejo donde el suelo ha sido fracturado y debilitado en áreas específicas y localizadas. Los investigadores descubrieron que la zona de la falla no es una grieta única y simple, sino una colección de múltiples dominios distintos, cada uno con sus propias propiedades mecánicas. Algunas áreas están fuertemente fracturadas y llenas de material blando, mientras que áreas adyacentes permanecen relativamente sólidas. Este hallazgo es significativo porque implica que el riesgo de fuertes temblores no es uniforme en toda la zona de la falla; en cambio, se concentra en estas bolsas ocultas de debilidad. El trabajo demuestra que escuchar el zumbido natural de la tierra puede revelar estos detalles estructurales ocultos, ofreciendo una visión más clara de cómo las fallas activas deforman el paisaje y dónde el suelo podría ser más vulnerable ante futuros eventos sísmicos.

Resumen Técnico: Heterogeneidad Elástica Subsuperficial a través de la Falla de Palolo Revelada mediante Modelos de Velocidad de Onda de Corte Derivados de HVSR

Planteamiento del Problema
Las zonas de falla son sistemas mecánicamente complejos donde la deformación tectónica, el fracturamiento, la meteorización y la circulación de fluidos crean una heterogeneidad significativa en las propiedades elásticas laterales y verticales. Si bien estas variaciones influyen fuertemente en la propagación de ondas sísmicas y la respuesta del terreno, la caracterización de la arquitectura interna de las fallas activas —particularmente donde la evidencia superficial está oscurecida por sedimentos jóvenes o alteración hidrotermal— sigue siendo un desafío. Estudios previos que utilizan el método de la Relación Espectral Horizontal-a-Vertical (HVSR) se han centrado principalmente en estimar las frecuencias de resonancia fundamental y la amplificación del sitio para la evaluación de la peligrosidad sísmica. Sin embargo, existe una brecha en la comprensión de cómo los patrones espacialmente variables de la velocidad de onda de corte ( $V_s$ ) derivados de la inversión de HVSR pueden distinguir entre variaciones litológicas y la deformación relacionada con la falla. Específicamente, el alcance con el que las discontinuidades de velocidad y las anomalías localizadas de baja velocidad reflejan la complejidad estructural oculta o el desarrollo de fallas subsidiarias en entornos tectónicos activos como la Falla de Palolo en Sulawesi Central, no está suficientemente constreñido.

Metodología
Este estudio investiga la heterogeneidad subsuperficial a través de la Falla de Palolo en el área geotérmica de Bora, integrando mediciones de vibración ambiental con análisis de HVSR e inversión de $V_s$ .

Adquisición de Datos: Se recolectaron datos de vibración ambiental en 25 estaciones distribuidas a lo largo de dos líneas de levantamiento (Línea A y Línea B) que atraviesan la tendencia estructural inferida de la falla. Las mediciones se registraron durante 60 minutos utilizando sismómetros de tres componentes (NS, EW, UD) a una tasa de muestreo de 100 Hz.
Análisis de HVSR: Los datos de microtremores fueron procesados para generar curvas de HVSR. El análisis determinó la frecuencia dominante ( $f_0$ ), la amplitud pico ( $A_0$ ) y el índice de vulnerabilidad sísmica ( $K_g$ ).
Inversión: Se derivaron perfiles unidimensionales de $V_s$ mediante la inversión de las curvas de HVSR utilizando el Algoritmo de Vecindad (NA) dentro del software Geopsy. El subsuelo se parametrizó como un modelo de 24 capas sobre un semiespacio, con restricciones en el espesor de las capas, $V_s$ , la velocidad de onda compresional ( $V_p$ ) y la densidad. Se seleccionaron los modelos con valores de desajuste (misfit) <1 como soluciones representativas.
Modelado 2D: Los modelos de velocidad 1D basados en estaciones se integraron mediante Kriging Ordinario para construir secciones continuas de $V_s$ bidimensionales a lo largo de ambas líneas de levantamiento. Este enfoque visualizó las distribuciones laterales y verticales de las propiedades elásticas para identificar discontinuidades estructurales.

Resultados Clave

Parámetros de HVSR: El estudio reveló una marcada variabilidad espacial en la respuesta dinámica del subsuelo. Las frecuencias dominantes oscilaron entre 0.57–7.54 Hz a lo largo de la Línea A y 0.55–2.62 Hz a lo largo de la Línea B. Se observó una anomalía distintiva alrededor de las estaciones SP_A11–SP_A15 en la Línea A y SP_B04–SP_B06 en la Línea B, caracterizada por una $f_0$ baja y valores elevados de $K_g$ , lo que indica zonas de alta vulnerabilidad sísmica y potenciales contrastes de impedancia.
Calidad de la Inversión: Los desajustes de la inversión oscilaron entre 0.03 y 0.08, lo que indica un estrecho acuerdo entre las respuestas de HVSR observadas y teóricas. Las curvas teóricas reprodujeron con éxito los picos de resonancia principales y las formas espectrales.
Arquitectura de Velocidad: Los modelos derivados identificaron tres regímenes de velocidad primarios: materiales de superficie de baja velocidad (<500 m/s), velocidades intermedias (500–1500 m/s) y el basamento de alta velocidad más profundo (>1500 m/s).
- Línea A: Mostró una pronunciada heterogeneidad lateral con una zona de baja velocidad engrosada entre SP_A11 y SP_A15, lo que sugiere una acumulación sedimentaria más profunda y una transición brusca entre las unidades de baja y alta velocidad.
- Línea B: Exhibió una estructura más uniforme pero con un engrosamiento localizado del material de baja velocidad cerca de SP_B04–SP_B06.
Interpretación Estructural: Las secciones 2D revelaron cambios laterales abruptos en la geometría de las capas y corredores de baja velocidad verticalmente persistentes. Varias fronteras de velocidad se desplazaron sobre distancias laterales cortas, creando geometrías subsuperficiales discontinuas inconsistentes con una deposición sedimentaria simple.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la arquitectura de $V_s$ derivada de HVSR proporciona restricciones útiles sobre la heterogeneidad estructural oculta y los patrones de deformación a lo largo de fallas activas, extendiéndose más allá de las evaluaciones convencionales de respuesta de sitio.

Arquitectura de la Falla: Los resultados sugieren que la deformación dentro del segmento investigado de la Falla de Palolo no es acomodada por un único plano de falla continuo, sino que se distribuye a través de múltiples dominios estructuralmente distintos, incluyendo núcleos de falla, ramificaciones (splays) y zonas de daño.
Detección de Estructuras Ocultas: Las discontinuidades de velocidad y las anomalías localizadas de baja velocidad identificadas pueden indicar la deformación relacionada con la falla y el desarrollo de fallas subsidiarias que no son fácilmente reconocibles mediante observaciones geológicas de superficie.
Valor Metodológico: El estudio demuestra que la integración de mediciones de vibración ambiental con el modelado de velocidad 2D es un enfoque efectivo para caracterizar la heterogeneidad elástica subsuperficial en regiones tectónicamente activas donde la observación geológica directa es limitada.

Limitaciones
Los autores señalan modestamente que la arquitectura del subsuelo es una aproximación bidimensional simplificada de un sistema potencialmente tridimensional. Además, las discontinuidades estructurales inferidas se basan principalmente en evidencia geofísica y aún no han sido validadas independientemente mediante datos de pozos, levantamientos sísmicos activos o investigaciones de trincheras. Se recomienda que trabajos futuros integren estos modelos con conjuntos de datos complementarios para obtener una mayor resolución.

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