La sismología fluvial es la aplicación de métodos sismológicos para comprender los procesos fluviales , como la descarga, la erosión y la evolución del lecho fluvial. El agua que fluye y el movimiento de sedimentos a lo largo del lecho fluvial generan ondas elásticas (sísmicas) que se propagan a los materiales terrestres circundantes. [1] [2] Los sismómetros pueden registrar estas señales, que se pueden analizar para iluminar diferentes procesos fluviales, como el flujo de agua turbulento y el transporte de sedimentos de fondo . [1] Los métodos sísmicos se han utilizado para observar valores de descarga que van desde un solo dígito [3] hasta decenas de miles de pies cúbicos por segundo (cfs). [1]
Un experimento realizado en 1990 en los Alpes italianos fue uno de los primeros en demostrar que los sismómetros podían detectar señales fluviales discernibles dentro del ruido sísmico generado por el flujo. [3] Seis sismómetros registraron la velocidad promedio de las oscilaciones del suelo a lo largo de un río alpino que también fue monitoreado para determinar la descarga y el fondo del río con una trampa de sedimentos. [3] Determinaron los valores de flujo más bajos necesarios para iniciar y mantener el transporte del fondo del río. [3] Desde entonces, la sismología fluvial se ha convertido en un área de investigación en rápido crecimiento.
La sismología fluvial es una subdisciplina de la sismología ambiental, un campo relativamente joven en el que se pueden detectar señales sísmicas no convencionales dentro de lo que anteriormente se consideraba "ruido". [4] [5] El ruido sísmico se encuentra en todo el espectro de frecuencias estudiadas en sismología (0,001-100 Hz). [6] Mientras que la sismología tradicional se ocupa de los terremotos tectónicos y la estructura de la tierra sólida, [5] la sismología ambiental se ocupa de las ondas que se originan fuera de la tierra sólida o cuya señal se ve afectada por las condiciones ambientales (temperatura, hidrología). [4] Los principios de la sismología fluvial y ambiental se pueden aplicar a todo tipo de procesos superficiales, incluidos los flujos de escombros , los deslizamientos de tierra , los lahares , el movimiento glacial y los terremotos de hielo , etc.
El transporte de sedimentos es uno de los medios más eficientes de erosión [6] y desempeña un papel dominante en la evolución y la morfología de los ríos. [7] La comprensión de las fuerzas que ejercen un río y los sedimentos que transporta sobre el lecho fluvial es un componente clave de la evolución morfológica de los ríos. [8] Los eventos de tormentas e inundaciones de alto caudal y alta energía en particular tienen un efecto enorme en la morfología y el desarrollo de los ríos. [7] Algunas aplicaciones de la sismología fluvial incluyen:
La sismología fluvial se limita generalmente al ruido sísmico de alta frecuencia con una frecuencia > 1 Hz (período < 1 s). [5] [10] Las observaciones se refieren al rango de 1 a 100 Hz, [11] que un modelo teórico directo de generación de ondas sísmicas muestra que genera un flujo de agua turbulento a través del lecho de un río. [11]
Las observaciones se realizan generalmente a menos de 100 m de la orilla del río, pero un estudio muestra señales fluviales distintas a 2 km de distancia. [6] El despliegue de sismómetros a diferentes distancias del río puede ser útil para distinguir las fuentes de señales. [11]
Las dos señales principales que se han extraído hasta ahora del ruido sísmico generado por los ríos son 1) el flujo turbulento del agua y 2) el transporte de sedimentos por el fondo. Otras señales propuestas incluyen la interacción de la superficie del agua con el aire. [1] Otros sugieren que un análisis más profundo puede permitir distinguir entre los tipos de transporte de sedimentos por el fondo: saltación y cizallamiento. [6]
En términos generales, los estudios han demostrado que la señal debida al flujo turbulento de agua es de menor frecuencia que la del transporte de sedimentos. [11] [10] Por ejemplo, un estudio encontró que, si bien la descarga y el nivel del agua estaban correlacionados con una señal de 1 a 80 Hz, la relación era particularmente fuerte en las ventanas de 2 a 5 Hz y de 10 a 15 Hz. [10] Mientras tanto, la señal de 30 a 50 Hz se atribuyó al transporte de sedimentos. [10]
La histéresis es un fenómeno bien documentado observado en la observación sísmica de ríos en el que la misma descarga no siempre produce la misma señal sísmica. [6] Si la turbulencia del agua fuera la única fuente de señales sísmicas, la misma descarga siempre produciría la misma amplitud de la respuesta sísmica.
Se ha observado histéresis en escalas de tiempo que van desde horas (tormentas individuales) hasta años completos. [2] [7] [8] Se ha observado histéresis en sistemas fluviales tanto en sentido horario [1] [2] [8] como antihorario, aunque el sentido horario es mucho más común. [12] La histéresis en sentido horario se atribuye a menudo a cambios en el transporte de la carga de fondo, observándose una señal sísmica mayor en el brazo ascendente de la curva de descarga que en el brazo descendente. [3] [6]
La histéresis se atribuye con mayor frecuencia a la cantidad cambiante de sedimento transportado por el río. [3] [12] Pero si bien la histéresis es característica del efecto del transporte de sedimentos en ríos con lecho de grava, [7] no es necesariamente causada por el transporte de sedimentos solo. [12] Además, no todo transporte de sedimentos produce necesariamente histéresis. [13] La histéresis también puede ser causada por un flujo turbulento cambiante como resultado de un cambio en la morfología del río, [13] [12] como un cambio en la rugosidad de la superficie del lecho del río. [7] [12]
Los métodos de sismología fluvial proporcionan un medio para realizar observaciones indirectas continuas de fenómenos que son 1) difíciles y peligrosos de medir, 2) poco frecuentes y 3) estimados o poco limitados. Por ejemplo, el transporte de sedimentos es difícil de medir directamente y también peligroso durante condiciones de alto caudal. [7] [1] Como resultado, las observaciones pueden ser poco frecuentes y limitarse únicamente a condiciones de bajo caudal, cuando las condiciones de alto caudal son de particular importancia para la evolución del curso de agua. Las estimaciones pueden limitarse a experimentos de canal de flujo derivados empíricamente y realizados en laboratorio. [2]
El uso de la sismología para comprender los procesos fluviales supone una mejora respecto de varios métodos existentes (como las trampas de sedimentos, el muestreo directo, las placas de impacto o los geófonos enterrados en el lecho del río) porque