Els sismes com a alliberament d'energia

Un terratrèmol, sisme o moviment sísmic es pot definir com l’alliberament sobtat d’energia acumulada a partir del trencament i desplaçament de materials o masses de roques, i la conseqüent transmissió d’aquesta energia alliberada fins a la superfície on es produeixen efectes físics sobre el sòl, principalment vibracions i, per tant, sobre les estructures implantades en aquest sòl.

La gènesi de sismes es basa en l’elasticitatdels materials que composen l’escorça terrestre. Aquesta elasticitat permet que es deformin a partir de les forces aplicades i que posteriorment tornin a la seva forma original un cop alliberada l’energia o les forces a les quals estan sotmesos els materials. En aquells casos en què la força o energia aplicada s’incrementa fins a valors superiors a un límit característic dels materials es produeix el seu trencament amb la conseqüència de l’alliberament sobtat de l’energia acumulada per les tensions aplicades.

L’hipocentre dels sismes (punt on s'origina del sisme) se situa habitualment a una profunditat entre 15 i 50 km, però també es produeixen a major profunditat o en superfície. Pel contrari, el punt on afloren els efectes en superfície es coneix com a epicentre.

La tectònica de plaques

Els sismes són causats majoritàriament al desplaçament constant de les plaques tectòniques de l’escorça terrestre i a l’alliberament sobtat de les tensions (energia) que generen aquests moviments, denominats forces tectòniques, i per la superació del límit d'elasticitat dels materials i, per tant, pel seu trencament. També es poden produir per l’activitat volcànica, pel col·lapse d’extenses galeries (són sismes de menor magnitud) en menor grau o bé es poden provocar artificialment amb explosions de gran potència.

La Terra està formada per capes interiors on la més superficial és l’escorça terrestre que alhora forma part de la litosfera. Aquesta inclou no només l’escorça terrestre sinó també part del mantell (fins a profunditats entre els 70 i 150 km). El mantell té una zona no inclosa a la litosfera, denominada astenosfera, que s’endinsa uns 600 o 700 km més i és en aquesta zona on es produeixen els moviments i deformacions que afecten l’escorça terrestre.

La teoria de la tectònica de plaques suposa que la litosfera està constituïda per una sèrie de plaques en moviment relatiu generat pel mantell que no està en estat sòlid. Els límits de les plaques són zones molt actives on es produeixen sismes, volcans, plegament, etc. En canvi, a l’interior de les plaques es dóna una major estabilitat.

Per tant, a l’escorça terrestre les grans masses de roques estan sotmeses a enormes forces que acumulen grans tensions en les masses rocoses. Quan les forces excedeixen el límit de ruptura, les roques es trenquen al llarg d’una fractura nova o d’una ja existent que es denomina falla i s’allibera l’enorme energia elàstica acumulada tot produint-se el sisme. Els efectes d’aquests trencaments són principalment efectes de trencament i deformació de les roques (visible sobre l’escorça en alguns casos) i ones sísmiques que produeixen les característiques vibracions del sòl. Els trencaments s’estenen cap a l’exterior a través del pla de la falla des de l’hipocentre i afloren a la superfície per l'epicentre.

Fenòmens sísmics

Els sismes alliberen energia que generant un conjunt de fenòmens que poden produir dany:

1. Ones sísmiques

Durant els sismes es produeix el trencament de les masses rocoses i el lliscament entre masses tot seguint el pla de la falla que ocasiona fenòmens de fricció i escalfament; però l’aspecte més característic i que produeix els importants danys que es donen en els grans sismes són les ones sísmiques. Les ones sísmiques no són més que energia produïda en el terratrèmol que ocasiona una “deformació” i viatja a través d’un medi elàstic (el medi elàstic són les roques). Les ones sísmiques produïdes en el focus es propaguen a traves de la massa de la Terra i arriben a la superfície a través de l’epicentre i són enregistrades pels sismògrafs.

Existeixen diversos tipus d'ones sísmiques:

a) Ones internes o que es desplacen per les roques internes. Hi ha dos tipus:

• Primàries (P): són resultat de la dilatació - contracció del terreny i, per tant, es propaguen produint canvis de volum en el medi tant sòlid com líquid.
• Secundàries (S): són producte d’esforç tallant, és a dir, el moviment de les “partícules” és perpendicular a la direcció de desplaçament de la ona. No produeixen canvis de volum en el medi i es propaguen exclusivament en sòlids i a una velocitat menor que les P.

b) Ones superficials o que es desplacen per la superfície. Hi ha dos tipus

• Les Rayleigh (LR)
• Les Love (LQ).

En general, el seu moviment és més complex que el de les P i S i viatgen a una velocitat menor que les S.

Un aspecte important de les ones per entendre el dany que poden causar en estructures i edificis és la seva freqüència i la seva amplitud. Les P i les S són de major freqüència i produeixen una vibració especialment en els edificis baixos. Les S, que arriben després que les P, produeixen més dany a causa al moviment horitzontal que imprimeixen (els edificis en general són pensats per aguantar esforços verticals). Les LR i LQ tenen una menor freqüència i afecten especialment als edificis alts, també cal considerar que les freqüències baixes pateixen menys l’atenuació i, per tant, poden afectar a més distancia. Quant a l’amplitud, les S tenen una major amplitud que les P i les superficials, major que les S.

En general, podem dir que les que produeixen més dany són les S i les superficials, però cal estudiar els factor concrets de cada terratrèmol perquè es poden donar circumstàncies que poden intensificar o disminuir l’acció de les ones, per exemple, la ressonància natural d'un sòl amb les ones.

2. Trencament superficial del sòl

La zona de la falla és habitualment estreta i, per tant, els desplaçaments i trencaments del terreny tenen una afectació molt limitada, malgrat les estructures i edificis situats en aquesta zona resulten greument afectats pels desplaçaments horitzontals o verticals de la superfície.

3. Fallades del terreny

Cal considerar els fenòmens de fallades del terra associats als sismes que de vegades poden ocasionar tanta destrucció com els propis sismes. Alguns dels més importants són els següents:

• Esllavissades: desplaçaments de masses rocoses o arenoses en superfície i especialment en zones inclinades o inestables (poc assentades).
• Esquerdes superficials del terreny.
• Colades de fang: massa de roca sedimentària formada per elements de gra molt petit (argila, marga) que en absorbir importants quantitats d’aigua adquireix prou plasticitat per desplaçar-se en forma de riu de fang.
• Liqüefacció del sòl: pèrdua de consistència del terra a causa del “col·lapse” de seves partícules i de l’alliberament de l’aigua dels porus microscopis per les vibracions del sisme. L’aigua se situa a la part més superficial i, per tant, la superfície perd consistència.

4. Tsunamis

Són onades de grans proporcions (fins a 30 metres) produïdes per un sisme i que poden viatjar milers de quilòmetres des de l’epicentre fins a les costes on arrasen i generen gran destrucció. Quan es produeix un sisme mar endins als oceans, el trencament del fons marí i l’alliberament d’energia i vibracions provoca la formació d’onades. Aquestes transporten gran quantitat d’energia, proporcional a la que s’allibera en el sisme, i quan s’aproximen a la costa disminueixen en velocitat i augmenten en alçada per compensar la pèrdua d’energia cinètica. El resultat és la formació d’onades de gran alçada a la línia de la costa que quan impacten produeixen gran destrucció i mortalitat. Els tsunamis també es poden produir en llacs i embassaments.

Com a exemple tenim els produïts durant el moviment sísmic de Lisboa de 1755 que va causar més de 1.000 morts a Cadis; el de la costa d’Alaska pel terratrèmol de 1964 que va produir 81 morts i, els més recent, a les illes de Sumatra d’Indonèsia a l’any 2004 amb xifres de mortalitat a l’entorn de 200.000 persones, i el de Japó de 2011 que amb onades de 10m.

5.  Altres fenòmens perillosos associats als sismes

També cal considerar l’efecte dòmino que poden produir sobre activitats i infraestructures de risc (com ara embassaments, centrals nuclears, gasoductes, etc) i que poden representar un perill molt seriós per motiu de l’efecte dominó, com els incendis durant els sismes de Sant Francisco (1906), el de Japó que ha produït l’emergència nuclear a la central de Fukushima .