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An empirical vertical-to-horizontal (V/H) spectral ratio model for shallow-crustal and upper-mantle earthquakes: insights from the S-net seafloor stations in the Japan Trench region

Este estudio presenta un modelo empírico de la relación espectral vertical-horizontal (V/H) para movimientos del suelo en alta mar en la región de la Fosa de Japón, derivado de las estaciones del lecho marino S-net, el cual revela que las relaciones V/H en alta mar son significativamente más bajas que los valores en tierra debido a la atenuación de la capa de agua y están fuertemente influenciadas por factores tales como la distancia de ruptura, las condiciones de enterramiento y la clase de sitio.

Autores originales: Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

Publicado 2026-09-30

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CC BY 4.0

Autores originales: Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

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

Cuando un terremoto ocurre, el suelo no solo se sacude de lado a lado; también da sacudidas hacia arriba y hacia abajo. Los ingenieros que diseñan edificios, puentes y plataformas en alta mar deben tener en cuenta este movimiento vertical, ya que puede ser tan destructivo como el movimiento horizontal. Para comprender qué tan fuerte podría ser esta fuerza ascendente, los científicos observan la relación entre la sacudida vertical y la horizontal. En tierra, esta relación se comprende bien, pero el océano presenta una historia diferente. El agua no es suelo sólido; es una capa fluida que se asienta entre la corteza terrestre y los sensores colocados en el fondo marino. Esta capa cambia la forma en que viajan las ondas sísmicas, amortiguando a menudo las sacudidas verticales de formas que los modelos terrestres no pueden predecir. Durante décadas, los ingenieros que diseñan estructuras en alta mar han tenido que confiar en reglas empíricas basadas en tierra, una práctica que podría ser o bien demasiado conservadora o peligrosamente inexacta.

Un equipo de investigadores se propuso reemplazar estas conjeturas con datos duros, centrándose en la vasta red de sensores conocida como S-net, que bordea el fondo de la Fosa de Japón. Esta región es un punto caliente de terremotos poderosos, donde la corteza oceánica se sumerge bajo la placa continental. Los investigadores recopilaron miles de grabaciones de estas estaciones en el fondo marino, capturando el temblor tanto de los sismos corticales superficiales como de los eventos más profundos dentro del manto superior. Clasificaron cuidadosamente estos datos, separando los sensores que estaban enterrados en trincheras excavadas en el lecho marino de aquellos que se encontraban directamente sobre el fondo del océano, y categorizaron el propio fondo marino según cómo vibra. Al analizar la relación entre la sacudida de arriba-abajo y la de lado a lado a través de este enorme conjunto de datos, pretendían construir un nuevo y preciso modelo específicamente para el entorno oceánico.

Los resultados revelaron una diferencia clara y significativa entre el océano y la tierra. La sacudida vertical medida en el fondo marino fue consistentemente mucho más débil de lo que se observa en tierra, particularmente para las sacudidas rápidas y de alta frecuencia que ocurren en la primera fracción de segundo de un terremoto. La capa de agua actúa como un filtro, absorbiendo gran parte de esta energía vertical antes de que llegue a los sensores. De hecho, la sacudida vertical en alta mar fue a menudo solo la mitad de fuerte que la sacudida vertical registrada en tierra para el mismo terremoto. Este hallazgo sugiere que el uso de modelos basados en tierra para el diseño en alta mar podría llevar a sobreestimar las fuerzas verticales, lo que potencialmente resultaría en estructuras innecesariamente costosas o excesivamente pesadas.

Más allá de confirmar que el océano amortigua el movimiento vertical, el estudio descubrió cómo diversos factores cambian esta relación. Los investigadores encontraron que la distancia desde el terremoto importa; a medida que las ondas sísmicas viajan más lejos a través del fondo oceánico, la relación entre la sacudida vertical y la horizontal tiende a aumentar. La profundidad del terremoto también juega un papel, siendo los terremotos más profundos los que muestran un patrón de sacudida vertical diferente en comparación con los más superficiales. Quizás lo más importante es que el estudio destacó que la condición de la propia estación en el fondo marino cambia las mediciones. Los sensores enterrados en el lecho marino registraron patrones de sacudida vertical diferentes en comparación con aquellos situados sobre el sedimento, especialmente durante las sacudidas iniciales y rápidas. El equipo también desarrolló una forma de clasificar los sitios del fondo marino basándose en sus frecuencias naturales de vibración, permitiendo predicciones más precisas de cómo responderán diferentes tipos de fondos oceánicos ante un terremoto.

Cuando los investigadores compararon su nuevo modelo específico para el océano contra los modelos existentes utilizados para la tierra, las diferencias fueron marcadas. Los modelos basados en tierra predijeron una sacudida vertical mucho mayor de la que los sensores oceánicos registraron realmente. Esto confirma que la física del entorno oceánico no puede ignorarse. El nuevo modelo proporciona una herramienta a medida para ingenieros y científicos, ofreciendo una imagen realista de cómo se mueve el fondo marino durante un terremoto. Al comprender que la capa de agua reduce significamente el sacudón vertical, y al tener en cuenta las condiciones específicas del fondo marino y la distancia del sismo, este trabajo ofrece una base más confiable para diseñar estructuras en alta mar que sean seguras y eficientes en una de las regiones sísmicamente más activas del mundo.

Resumen Técnico: Un modelo empírico de la relación espectral vertical-a-horizontal (V/H) para terremotos de la corteza somera y del manto superior en la región de la Fosa de Japón

Planteamiento del Problema
Si bien las redes de observación sísmica en alta mar se han expandido globalmente, persiste la necesidad apremiante de disposiciones de diseño sísmico específicas para entornos marinos. Existen discrepancias significativas entre los movimientos del suelo en tierra firme y en alta mar, particularmente en lo que respecta a la amplitud del componente vertical y a la relación espectral vertical-a-horizontal (V/H). Estudios previos indican que los movimientos del suelo verticales en alta mar se atenúan sistemáticamente en comparación con los movimientos en tierra, especialmente en el rango de periodos cortos, debido al efecto supresor de la columna de agua. Sin embargo, los modelos de predicción V/H existentes se derivan predominantemente de registros de movimientos fuertes en tierra. La aplicabilidad de estos modelos terrestres a entornos marinos es cuestionable, y las influencias específicas de la fuente, la trayectoria y las condiciones del sitio sobre las razones V/H en alta mar —particularmente utilizando datos de la extensa red S-net (Red de Observación del Fondo Marino para Terremotos y Tsunamis) a lo largo de la Fosa de Japón— no han sido investigadas suficientemente.

Metodología
Este estudio desarrolla un modelo empírico de la relación espectral V/H para terremotos de la corteza somera y del manto superior en la región de la Fosa de Japón, utilizando 9,892 registros de movimiento del suelo de 150 estaciones de fondo oceánico de la red S-net. La metodología consistió en los siguientes pasos:

Procesamiento y Selección de Datos: Se filtraron los registros para excluir sensores con ángulos de rotación >0.1°, aquellos con errores en la forma de onda o con una baja relación señal-ruido (SNR < 3) en el rango de 0.1–20 Hz. Solo se retuvieron eventos con $M_w \ge 4.0$ y al menos tres registros de tres componentes de alta calidad.
Clasificación del Sitio: Debido a la indisponibilidad de datos convencionales de $V_{S30}$ para las estaciones de fondo oceánico, el estudio utilizó un esquema de clasificación de sitios (SC1–SC4) basado en la frecuencia predominante ( $T_n$ ) identificada mediante el método de la Relación Espectral Horizontal-a-Vertical (HVSR). Las estaciones se categorizaron además por su condición de enterramiento (enterradas en trincheras a una profundidad <1500 m frente a no enterradas en el fondo marino a >1500 m de profundidad).
Formulación del Modelo: Se construyó un modelo empírico utilizando un enfoque de regresión de efectos aleatorios. La forma funcional incluye:
- Término de la Fuente: Incorpora la magnitud de momento ( $M_w$ ), la profundidad focal ( $h$ ) y el mecanismo de falla (normal, inversa, de desgarre). Se seleccionó un término de magnitud lineal basado en el análisis de regresión.
- Término de la Trayectoria: Caracteriza la dispersión geométrica utilizando la distancia de ruptura ( $R_{rup}$ ). El estudio investigó un término de interacción magnitud-distancia, pero lo excluyó del modelo final debido a una significancia estadística inconsistente a través de los periodos y para mantener la parsimonia del modelo.
- Término del Sitio: Se probaron tres formulaciones utilizando el Criterio de Información de Akaike (AIC). La formulación óptima utilizó indicadores de clase de sitio ( $SC_i$ ) e indicadores de condición de enterramiento ( $S_b, S_u$ ) multiplicados por el logaritmo natural de la frecuencia fundamental del sitio.
Validación: El rendimiento del modelo se evaluó mediante análisis de residuos entre eventos ( $\tau$ ) y dentro de un evento ( $\sigma$ ). El modelo también se comparó con modelos V/H establecidos en tierra (Bommer et al., 2011; Pezeshk et al., 2022; Tan y Hu, 2021).

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio genera un modelo de predicción V/H regionalizado y varios hallazgos clave sobre las características del movimiento del suelo en alta mar:

Discrepancia entre Alta Mar y Tierra Firme: Las razones espectrales V/H en alta mar son generalmente significativamente menores que las de tierra firme, particularmente en el rango de periodos cortos. Los valores V/H en alta mar oscilan típicamente entre 0.15 y 0.50, aproximadamente la mitad de los valores en tierra. Esto respalda la hipótesis de que la capa de agua atenúa los componentes verticales de alta frecuencia.
Efectos de Magnitud y Profundidad Focal: El efecto de la magnitud de momento exhibe una clara dependencia del periodo. La profundidad focal muestra un efecto de atenuación principalmente en los rangos de periodo intermedio y largo ( $T > 0.12$ s), donde las razones V/H disminuyen a medida que la profundidad aumenta.
Efectos de Distancia de Ruptura y Trayectoria: Las razones V/H en alta mar tienden a aumentar con el incremento de la distancia de ruptura. Esta dependencia de la distancia se vuelve más pronunciada en periodos más largos ( $T > 1.0$ s).
Condiciones de Enterramiento: Las condiciones de enterramiento de las estaciones ejercen una influencia significativa. Para periodos $T < 0.7$ s, las estaciones enterradas generalmente exhiben razones V/H más altas que las estaciones no enterradas. Por el contrario, para $T > 1.0$ s, las razones V/H disminuyen progresivamente desde la clase de sitio SC1 hasta SC4, independientemente de la condición de enterramiento.
Mecanismo de Falla: Los eventos de falla normal generalmente producen razones V/H más altas en comparación con los eventos de falla inversa y de desgarre.
Rendimiento del Modelo: El modelo propuesto demuestra desviaciones estándar totales y dentro de un evento bajas. El análisis de residuos confirma que el modelo no presenta sesgos con respecto a la magnitud, la profundidad focal, la distancia de ruptura y los parámetros de clasificación de sitio utilizados.

Significancia
El artículo afirma que el modelo empírico propuesto proporciona una referencia necesaria para la evaluación de peligros sísmicos en alta mar y el diseño sísmico de estructuras marinas, abordando específicamente la componente vertical del movimiento del suelo. El estudio demuestra que los modelos de predicción V/H en tierra sistemáticamente sobreestiman la proporción del movimiento vertical del suelo en entornos de alta mar, particularmente para medidas de alta frecuencia como el PGA. En consecuencia, los autores concluyen que los modelos terrestres no pueden aplicarse directamente a entornos de alta mar sin modificaciones. El modelo desarrollado, fundamentado en el extenso conjunto de datos de S-net, ofrece una base más precisa para predecir las razones espectrales V/H en alta mar al contabilizar explícitamente los efectos únicos de la fuente, la trayectoria y el sitio de la región de la Fosa de Japón.

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