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Sismofísica básica · ampliación avanzada

De una fuerza puntual a la esfera focal

Por qué el «balón de playa» tiene cuatro cuadrantes, y de dónde sale M₀ = μ·A·D̄. La deducción completa, desde la ecuación de ondas.

Material del Prof. Luis Daniel Beauperthuy Urich Esta página desarrolla el capítulo 2, «Radiación de ondas sísmicas desde una falla fracturada», de su libro Sismofísica Básica (Fondo Editorial de la Universidad de Oriente, Cumaná, estado Sucre, Venezuela, 2008; ISBN 978-980-234-185-6, pp. 35–58). Departamento de Física, Universidad de Oriente.
El hilo del razonamiento, la elección de las variables y las figuras del original son suyos. La exposición en esta página, los diagramas y las conexiones con el terremoto de La Guaira son de este sitio, y no comprometen al autor. Fue mi profesor de física, y lo que sigue le pertenece.

Leer el capítulo original completo (PDF) →

Las otras dos páginas de esta sección cuentan qué son el momento sísmico y el mecanismo focal. Ésta cuenta de dónde salen. Es el escalón siguiente: se parte de la ecuación de ondas en un medio elástico y se llega, sin saltos, al balón de playa que aparece en cualquier boletín sísmico.

1El plan: sumar de a poco

El punto de partida es una idealización que hay que decir en voz alta. Una falla real es una superficie de kilómetros; aquí se la trata como un punto, porque se la mira desde muy lejos:

Por supuesto, ninguna falla es puntual; sin embargo, si sus dimensiones son lo suficientemente pequeñas comparadas con las distancias a la misma, donde estamos estudiando los campos de radiación de ondas producidas por su ruptura, entonces la podemos considerar como aproximadamente «puntual».

Beauperthuy Urich (2008), cap. 2

Con esa licencia, la estrategia es de superposición, en tres saltos:

  1. La radiación de una sola fuerza concentrada.
  2. Dos fuerzas iguales y opuestas, muy juntas: un par.
  3. Dos pares cruzados: el doble par, que es el modelo de la falla.

Cada escalón se construye con el anterior. Y el medio se supone homogéneo, isótropo e infinito — otra idealización que conviene tener presente, porque es exactamente la que se paga después: es la razón de que un modelo de Tierra 1-D explique sólo una fracción de un sismograma real.

2Por qué hacen falta dos pares, y no uno

Aquí está la primera idea que cuesta, y el original la resuelve en dos frases. Un par de fuerzas paralelo a la falla explica el deslizamiento, sí — pero un par solo aplica un torque neto, y un torque neto haría girar el terreno. Y el terreno no gira.

Uno de los pares es el que actúa paralelamente en las paredes de la propia falla, y activa los desplazamientos relativos de las mismas […]. El otro par es perpendicular a la falla, y necesariamente está presente como una reacción del terreno que cancela el torque total (no ocurren aceleraciones angulares en el terreno).

Beauperthuy Urich (2008), cap. 2, §1
Un par solo giraría el terreno plano de falla rotación neta ✗ Doble par torque total = 0 — par que desliza la falla — par de reacción del terreno
El doble par. El par azul es el que produce el deslizamiento. El ámbar no es un adorno matemático: es la reacción del terreno, y está ahí porque el terreno no adquiere aceleración angular. Sin él, el modelo predeciría un giro que nadie observa. Redibujado a partir de la figura 2.1 del original.
Se cruza con la otra página En «Del torque al momento sísmico» se corrige justamente el error de llamar «torque neto» al momento sísmico. Esta deducción es la razón de fondo: el momento sísmico es la magnitud de cada par, no un torque resultante — que vale cero.

3Los campos lejanos del doble par

Saltándonos el desarrollo —los potenciales de Lamé, los potenciales retardados y la integración sobre el volumen fuente, que ocupan veinte páginas del original—, el resultado al que se llega para el campo lejano es éste:

$$\vec{u}_{p}(\vec{r},t)=-\frac{2}{4\pi\rho\alpha^{3}}\; \frac{\gamma_{1}\gamma_{2}\,\hat{e}_{r}}{r}\; \dot{M}_{12}\!\left(t-\frac{r}{\alpha}\right)$$

$$\vec{u}_{s}(\vec{r},t)=\frac{1}{4\pi\rho\beta^{3}}\; \frac{\bigl(2\gamma_{1}\gamma_{2}\hat{e}_{r}-\gamma_{2}\hat{e}_{1}-\gamma_{1}\hat{e}_{2}\bigr)}{r}\; \dot{M}_{12}\!\left(t-\frac{r}{\beta}\right)$$

Conviene leer despacio lo que dicen, porque casi todo el resto del sitio descansa aquí:

Lo que viaja es la derivada del momento
Aparece $\dot{M}_{12}$, no $M_{12}$: el sismograma de desplazamiento tiene la forma de la tasa de momento. Por eso una inversión de formas de onda devuelve $\dot{M}(t)$ y el momento total es su integral.
Cae como $1/r$
No como $1/r^{2}$. Es la firma del campo lejano, y es lo que hace que un sismo se registre al otro lado del planeta.
Llega tarde, y cada onda a su hora
$t-r/\alpha$ para la P y $t-r/\beta$ para la S. Como $\alpha>\beta$, la P llega primero: de ahí los nombres, y de ahí que la diferencia P–S mida la distancia.
La P es longitudinal; la S, transversal
El desplazamiento P va en $\hat{e}_{r}$, a lo largo del rayo. Para la S se comprueba que su dirección es perpendicular a $\hat{e}_{r}$: el producto escalar da cero.
$\rho\alpha^{3}$ y $\rho\beta^{3}$ en el denominador
Como $\alpha>\beta$, el factor de la S es el menor: la onda S sale más amplia que la P para el mismo momento. Lo que se siente en superficie es, sobre todo, la S.

4Los cuatro cuadrantes: aquí nace el balón de playa

Falta la parte geométrica. Pasando a coordenadas esféricas, con $\theta$ polar y $\phi$ azimutal, los cosenos directores son $\gamma_{1}=\operatorname{sen}\theta\cos\phi$ y $\gamma_{2}=\operatorname{sen}\theta\operatorname{sen}\phi$, y la dependencia angular queda:

$$-\gamma_{1}\gamma_{2}\,\hat{e}_{r} \;=\;-\hat{e}_{r}\,\tfrac{1}{2}\operatorname{sen}^{2}\theta\,\operatorname{sen}2\phi \qquad\text{(radiación P)}$$

$$2\gamma_{1}\gamma_{2}\hat{e}_{r}-\gamma_{2}\hat{e}_{1}-\gamma_{1}\hat{e}_{2} \;=\;-\operatorname{sen}\theta\bigl(\hat{e}_{\theta}\cos\theta\operatorname{sen}2\phi +\hat{e}_{\phi}\cos 2\phi\bigr)\qquad\text{(radiación S)}$$

Y ahora el momento del capítulo. Mirando el plano que contiene a la falla ($\theta=\pi/2$), la P se reduce a $-\hat{e}_{r}\operatorname{sen}2\phi$. Esa función cambia de signo cuatro veces en una vuelta. Cuatro veces: ni dos, ni seis.

D C D C nodal nodal −sen 2φ · plano θ = π/2 C = compresión (el terreno arranca alejándose) · D = dilatación
El patrón de radiación P, y por qué el mecanismo focal se dibuja así. Las dos rectas punteadas son los planos nodales: sobre ellos la P no radia nada. Los cuatro lóbulos alternan el signo de la primera llegada — compresión donde el terreno arranca alejándose del foco, dilatación donde arranca acercándose. Pintados de negro los de compresión, esto es el balón de playa. Nótese que ninguna de las dos rectas está rotulada como «la falla»: en esta imagen las dos son indistinguibles, y ése es justamente el asunto del §6. Redibujado a partir de las figuras 2.7a y 2.9 del original.
Lo que esto significa para un observatorio Basta con anotar, en muchas estaciones repartidas alrededor, si la primera sacudida de la P empujó hacia arriba o hacia abajo. Cada estación es un punto en la esfera, y su signo dice en qué cuadrante cae. Con suficientes puntos, los dos planos nodales quedan determinados. Un mecanismo focal es, literalmente, un mapa de signos.

5De la falla puntual a la falla extensa: M₀ = μ·A·D̄

Hasta aquí la falla era un punto. El paso siguiente la devuelve a su tamaño real, y de él sale la fórmula que se usa todos los días. Se toma un elemento de área $d\Sigma$ de la pared de falla, que tras la ruptura ha deslizado $\Delta U$ respecto a su homólogo del otro lado. Su contribución al momento es $dM=dF\,\delta x_{2}$, con $dF=\sigma_{12}\,d\Sigma$.

Aplicando la ley de Hooke en un medio isótropo, y usando que el deslizamiento no tiene componente perpendicular al plano ($U_{2}=0$):

$$\sigma_{12}=\mu\bigl(U_{1,2}+U_{2,1}\bigr)=\mu\frac{\partial U_{1}}{\partial x_{2}} \equiv\mu\frac{\Delta U}{\delta x_{2}}$$

Al sustituir, el $\delta x_{2}$ —esa «separación» entre las dos paredes que tiende a cero y que incomoda a todo el mundo la primera vez— se cancela:

$$dM=\mu\,\Delta U\,d\Sigma \qquad\Longrightarrow\qquad \boxed{\;M=\mu\iint_{\Sigma}\Delta U\,d\Sigma\;}$$

Si se llama $A$ al área rota y $\bar{D}$ al deslizamiento medio sobre ella, la integral es justamente $A\bar{D}$, y queda la forma conocida:

$$M_{0}=\mu\,A\,\bar{D}$$

Lo bonito de la cancelación La magnitud auxiliar $\delta x_{2}$ no aparece en el resultado. El momento sísmico no depende de cómo de «separadas» imaginemos las dos paredes: sólo de cuánta roca se rompió, cuánto deslizó y qué tan rígida era. Por eso $M_{0}$ es una propiedad de la fuente y no del dibujo que uno se haga de ella.

6La esfera focal

El último paso del capítulo es el que cierra el círculo: convertir los cuatro cuadrantes en el objeto que aparece en los boletines.

Como quien corta a una naranja, se divide a la esfera en cuatro «cuartos» iguales mediante dos cortes diametrales mutuamente perpendiculares. Los dos cortes se orientan de manera que cada «cuarto» corresponda a un cuadrante de primera radiación P desde el foco: dos cuadrantes de compresión (C) y dos de dilatación (D); los de compresión se colorean de negro, y los de dilatación, se dejan de blanco.

Beauperthuy Urich (2008), cap. 2, §5

Uno de los dos planos es el plano de falla; el otro, el plano auxiliar. Y aquí viene la advertencia que el original no se salta, y que sigue siendo verdad en 2026:

La esfera focal por sí misma, no da información sobre cuál de los dos planos es el de falla, y cuál es el secundario; para ese conocimiento, es necesario recurrir a consideraciones adicionales, por ejemplo, la historia sísmica de la misma falla.

Beauperthuy Urich (2008), cap. 2, §5
Esto no es una nota histórica: es el problema de La Guaira La ambigüedad entre plano principal y auxiliar es exactamente la razón de que el mecanismo focal del 24 de junio de 2026 no baste para decir sobre qué falla rompió el M 7,2. Las «consideraciones adicionales» que pedía el profesor son, en este caso, la traza cartografiada, la distribución de réplicas y la geodesia. El mecanismo dice cómo rompió; no dice cuál rompió.

7Dónde reaparece todo esto en el resto del sitio

Resultado del capítuloDónde se usa aquí
El sismograma tiene la forma de $\dot{M}(t)$ La inversión de la tasa de momento: lo que se recupera es $\dot{M}$, y el momento es su integral
Patrón $-\operatorname{sen}2\phi$, cuatro cuadrantes El mecanismo focal 81°/78°/−175° del evento, y el factor de radiación que entra en el operador directo
$M_{0}=\mu A\bar{D}$ La conversión entre momento y magnitud, y el reparto de momento entre las dos rupturas
Ambigüedad plano principal / auxiliar Por qué hace falta geodesia para saber sobre qué falla ocurrió
Medio homogéneo, isótropo e infinito La idealización que se paga: por qué un modelo de Tierra 1-D explica sólo una parte del sismograma real

8Referencias

  1. Beauperthuy Urich, L. D. (2008). Sismofísica Básica. Fondo Editorial de la Universidad de Oriente, Cumaná, estado Sucre, Venezuela. ISBN 978-980-234-185-6. Capítulo 2, «Radiación de ondas sísmicas desde una falla fracturada», pp. 35–58. Fuente de esta página. Capítulo completo en PDF →
  2. Aki, K. & Richards, P. G. (2002). Quantitative Seismology, 2.ª ed. University Science Books. Capítulos 3 y 4, para el mismo desarrollo en notación tensorial. PDF libre — reimpresión corregida de 2009 →
  3. Stein, S. & Wysession, M. (2003). An Introduction to Seismology, Earthquakes and Earth Structure. Blackwell. Capítulo 4, para la esfera focal.
Sobre la autoría El desarrollo de este capítulo es del Prof. Luis Daniel Beauperthuy Urich y está publicado en su libro, con ISBN. Esta página lo expone, lo cita y lo enlaza con el análisis del terremoto de La Guaira; no lo reemplaza ni lo reproduce entero. Los desarrollos intermedios que aquí se omiten —los potenciales de Lamé, los potenciales retardados, la integración sobre el volumen fuente— están en el capítulo original, que el autor autoriza a consultar.
Ampliación avanzada · radiación desde una falla fracturada · material del Prof. L. D. Beauperthuy Urich Lcdo. Físico Rommel Contreras — AGHES