Monitoreando la Tierra inquieta en busca del próximo “Gran Desastre”

El planeador de olas del USGS en misión, equipado con instrumentación Sonardyne GNSS-A. Crédito: USGS

Cuando el terremoto de Chignik de magnitud 8,2 golpeó la costa de Alaska en 2021, fue una gran señal de advertencia.

El terremoto más grande en Estados Unidos desde 1965 y uno de los más grandes a nivel mundial en los últimos años; fue un recordatorio de los peligros geológicos que acechan, fuera de la vista, en nuestras costas.

Eventos marinos como estos podrían desencadenar un tsunami, poniendo en riesgo importantes ciudades y regiones costeras.

Pero, hasta hace poco, la actividad geológica que provoca un terremoto como el de Chignik era un punto ciego importante para los científicos, ya que se encontraba oculto e inaccesible bajo las olas.

Ahora, gracias a la colaboración y el desarrollo continuos entre la empresa de tecnología submarina Sonardyne, el Instituto Scripps de Oceanografía y el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), la capacidad de monitorear de forma remota nuestra inquieta Tierra no solo es posible, sino que también se está convirtiendo en una práctica estándar.

Utilizando una técnica llamada GNSS-A, se está monitoreando una cantidad cada vez mayor de costa más vulnerable a peligros de terremotos y tsunamis, incluida la costa del Pacífico de Estados Unidos.

¿Qué es GNSS-A?

El GNSS-A funciona combinando el posicionamiento satelital con la acústica submarina para rastrear el movimiento del fondo marino con precisión centimétrica. Un buque de superficie sin tripulación (USV) con la carga útil GNSS-A de Sonardyne patrulla el fondo marino sobre un conjunto de transpondedores Sonardyne Fetch.

La combinación de su posición superficial conocida con pulsos acústicos enviados a cada transpondedor Fetch le permite calcular la posición precisa de cada transpondedor y, por lo tanto, la posición del lecho marino en el que se encuentra.

Al repetir estas mediciones a lo largo del tiempo, los científicos pueden rastrear el movimiento de las placas tectónicas a través de las fallas para comprender y estimar mejor el peligro de terremotos y tsunamis.

Una de las organizaciones que utiliza esta técnica para monitorear las zonas de subducción, donde una placa se desliza debajo de otra, es el USGS.

Comenzaron a explorar su uso en 2017, trabajando en colaboración con la Universidad de Hawái y Scripps, y utilizando un Wave Glider y sensores en el fondo marino, para medir cómo la fricción entre dos placas tectónicas restringe el deslizamiento y causa una acumulación de estrés, midiendo esencialmente "qué tan atascadas están las placas".

Desde entonces, han seguido contribuyendo al desarrollo de GNSS-A utilizando módulos GNSS-A de Sonardyne y transpondedores Fetch.

Preparando el planeador de olas del USGS para su lanzamiento a bordo del R/V North Wind de la Universidad Politécnica Estatal de California en Humboldt. Crédito: USGS

Ampliación del monitoreo GNSS-A a lo largo de la Zona de Subducción de Cascadia

Un foco importante del USGS es la Zona de Subducción de Cascadia, una falla de 1.000 km de longitud frente a la costa noroeste del Pacífico que se extiende desde la isla de Vancouver en Canadá hasta el norte de California.

Entre 2021 y 2025, el USGS ha instalado cuatro sitios de monitoreo en el lecho marino frente a la costa del Pacífico de EE. UU. en el extremo más meridional de esta zona.

Son parte de una red más amplia a lo largo de la Zona de Subducción de Cascadia, donde la subducción involucra tres placas, la Explorer, Juan de Fuca y Gorda, que se deslizan debajo de la placa norteamericana, creando el potencial para terremotos de magnitud 9+ y grandes tsunamis.

Los sitios GNSS-A del USGS, cada uno con tres transpondedores Fetch, están en la placa Gorda más al sur, donde la incertidumbre del movimiento de la placa Gorda en relación con el movimiento de la placa de América del Norte tiene implicaciones en el tamaño y la recurrencia de los terremotos en la región.

“Antes de tener esta capacidad, sólo podíamos usar redes GPS en tierra para estimar, a un nivel submilimétrico, los movimientos lentos del fondo marino a más de 50 millas de la costa”, dice Todd Ericksen, ingeniero geodésico del Centro de Ciencias Sísmicas del USGS en California.

Pero el fondo marino era un punto ciego; una pieza clave del rompecabezas tectónico global que faltaba, lo que significaba que la verdadera magnitud del peligro bajo el océano era prácticamente desconocida. Nuestros instrumentos se detenían en la costa.

En lugares como la zona de subducción de Cascadia, donde las placas oceánicas se subducen bajo la placa norteamericana, los sitios geodésicos del fondo marino están llenando un vacío importante, ayudándonos a comprender mejor el peligro de terremotos y tsunamis. Si las placas se bloquean en esta zona, acumulando tensión, toda esa costa, y ciudades como Vancouver, Victoria y Seattle, se enfrentan a un riesgo significativo de tsunami.

Planeador de olas equipado con GNSS-A, en posición central, cargado a bordo del R/V North Wind en Eureka, California, y rodeado por tres puntos de referencia geodésicos del fondo marino que se desplegarán a lo largo de la Zona de Subducción de Cascadia. Crédito: USGS

Mapa topobatimétrico de la zona de subducción de Cascadia que muestra las velocidades geodésicas en tierra y mar adentro, según los sitios geodésicos del fondo marino del USGS y la NSF. Crédito: USGS

Perspectivas críticas de la zona de subducción de las Aleutianas

Una de las fuentes tectónicas de grandes terremotos que el USGS ha estado monitoreando es la Zona de Subducción de las Aleutianas. Fue aquí donde se produjo el terremoto de Chignik, y el USGS estaba listo para una misión de respuesta posterior al terremoto.

Apenas un par de años antes, un equipo de científicos financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF) había instalado tres sitios de monitoreo GNSS-A en el lecho marino frente a Alaska, en la zona de subducción de las Aleutianas.

El USGS y Scripps habían llevado a cabo varios estudios Wave Glider antes del terremoto Chignik de magnitud 8,2 para monitorear la posición de los sitios a aproximadamente 1.200 m de profundidad de agua.

A las pocas semanas del terremoto, el USGS volvió a enviar su Wave Glider para medir qué movimiento hubo durante y poco después del terremoto.

A pesar de las difíciles condiciones climáticas, la misión recopiló datos acústicos y GNSS de alta fidelidad con resultados reveladores.

“El tsunami fue modesto, pero el evento sísmico fue el más grande en Estados Unidos en casi seis décadas”, dice Ericksen, “así que esperábamos un gran movimiento. Pero fue increíble saber exactamente cuánto: 1,4 m”. Esto proporcionó información crucial sobre el movimiento co-sísmico y post-sísmico, lo que ayudó a comprender la dinámica de la zona de subducción.

La gran pregunta era: ¿el terremoto de Chignik aumentó el estado de estrés y el potencial de tsunami en la parte ascendente de la falla o no?

“Las mediciones mostraron que la falla se movió 2 a 3 m horizontalmente en una parte poco profunda de la falla, a menos de 20 km por debajo del lecho marino, lo que nos ayuda a comprender cómo se acumula la tensión a lo largo de la falla y se libera en un terremoto”, dice.

“Estos resultados sugirieron que el deslizamiento acumulativo había aliviado la tensión en la parte superficial de la falla y, por lo tanto, el terremoto de Chignik probablemente no aumentó el potencial de tsunami de la falla superficial.

“También demostró la eficacia de la técnica GNSS-A y la utilidad de las mediciones GNSS-A de respuesta rápida para evaluar mejor los peligros de tsunamis y terremotos en la región”.

Los orígenes del GNSS-A

La capacidad de medir el movimiento de las placas en el fondo marino no es nueva. Se basa en lo que originalmente se denominó la técnica GNSS-A, desarrollada inicialmente por Scripps, concretamente por David Chadwell y Fred Spiess.

“Combinar el posicionamiento GNSS y las mediciones acústicas para rastrear el movimiento del fondo marino fue una idea inteligente y funcionó”, afirma Michelle Barnett, gerente de Desarrollo Comercial de Ciencias Oceánicas en Sonardyne.

Pero el coste de usar barcos tripulados para el posicionamiento lo hacía prohibitivo. Además, era un desafío técnico.

“Entonces, trabajando con Scripps, al principio

En la década de 2010, desarrollamos una combinación de nuestros sensores Fetch de larga duración y una carga útil GNSS-A lista para usar para Wave Gliders que pueden salir y realizar el trabajo de estudio a un costo mucho menor que usar un barco tripulado”.

El planeador de olas del USGS se recuperó a bordo del R/V North Wind tras un reconocimiento exitoso. Crédito: USGS

Vale la pena esperar, incluso cuando se espera el clima.

Sin embargo, la técnica no está exenta de desafíos. Tras recopilar las posiciones de los transpondedores de la zona de subducción de las Aleutianas, Ericksen y su equipo estaban naturalmente interesados en analizar los datos.

Debido a la importante cantidad de datos involucrados (hablamos de 25 a 30 GB por sitio, que comprende tres Fetch), solo se envían submuestras a la costa desde el USV, principalmente para control de calidad.

Por lo tanto, tienen que esperar hasta que el USV regrese, o sea devuelto, a la costa. La baja intensidad de la luz diurna durante el invierno de Alaska (cuando se realizó el estudio de Chignik) limitó la disponibilidad de energía para el USV.

Combinado con el mal tiempo, coordinar su recuperación resultó un desafío, por lo que se necesitaron cuatro meses para recuperar el Wave Glider y descargar los datos.

Aún así, la espera valió la pena y los resultados están proporcionando información mayor que nunca antes.

Lea más sobre los datos de Chignik en ScienceAdvances Vol. 9, No. 17, Se revela un deslizamiento posterior rápido y superficial de un megathrust del terremoto Chignik de Alaska de 2021 M8.2 después de la geodesia del fondo marino .