Revista Geológica de América Central

Attenuation of response spectra in seismic hazard problems. Use of original published GMPEs or their correction by local characteristics? Study case Nicaragua

Resumen Se presenta un análisis de los espectros de respuesta de la aceleración (ERA) registrados en Nicaragua y su comparación con los que predicen diferentes relaciones de atenuación publicadas (se usa la media geométrica de las componentes horizontales). Se discute un procedimiento para modificar relaciones de atenuación publicadas para su uso local, basado en el análisis de los residuos de los ERA observados, convertidos al valor esperado en roca rígida (VS30 = 1130 m/seg), respecto a las predichas por las relaciones de atenuación ln{ERAobservado(T)} - ln{ERApredicción(T)}. La modificación toma la forma de una corrección Q(μi,σi) con “i” variando sobre los períodos del espectro, donde “μ” es el sesgo y “σ” la dispersión estándar. Se propone un procedimiento para su uso en estimados de amenaza sísmica, que consiste en usar las relaciones modificadas para roca rígida en los cálculos y convertir los espectros de amenaza uniforme obtenidos a la VS30 deseada usando el mismo método empleado para convertir los ERA observados al valor de roca rígida. Se considera que este procedimiento arroja resultados más confiables que cuando se usan directamente relaciones de atenuación publicadas.

Abstract An analysis of acceleration response spectra (SA) recorded in Nicaragua and its comparison with those predicted with different published GMPE (Ground Motion Prediction Equations) is presented (a geometric mean of recorded horizontal acceleration components is used). It is discussed a procedure for modification of published GMPE to be locally used, based on the residual analysis of observed SA, converted to expected values in hard rock (VS30 = 1130 m/seg), with respect to predicted by GMPE’s ones: ln{ERAobserved(T)} - ln{ERApredicted(T)}. The modification takes the form of a correction Q(μi,σi) with “i” varying over spectrum periods, being “μ” the bias and “σ” the standard dispersion. A procedure is proposed for its use in seismic hazard assesment that consist in using the modified GMPE for hard rock in the calculations and converting the obtained uniform hazard spectra to desired value of VS30 by using the same method employed to convert the observed SA to hard rock ones. It is considered that this procedure gives better results that the direct use of published GMPE.

First fossils records of chondrichthyes from Venado Formation, Upper Miocene, Alajuela Province, Costa Rica

Resumen Restos dentales de seláceos fueron recolectados en la caverna Gabinarraca, en Venado de San Carlos. Estos fósiles se encontraron en litofacies tipo grainstone, asociados a ambientes de estuario lagunar carbonatado característicos de la Formación Venado de edad Mioceno Superior-Plioceno. Entre los restos de tiburones recuperados destacan ejemplares juveniles de Carcharocles megalodon asociado a ambientes sublitorales y ambientes de aguas salobres. El hallazgo de estos restos permite evidenciar que especies como el Carcharocles megalodon utilizaron las aguas someras del Mioceno donde actualmente se localiza Venado de San Carlos como zona de crianza.

Abstract Remains of selachians have been collected at the Gabinarraca cave. These fossils were found in grainstone type lithoacies from the Upper Miocene carbonated lagoon and estuarine sediments of Venado Formation. Among the sharks remains are notorious the juvenile specimens of Carcharocles megalodon associated to a shallow marine and brackish waters environments. The discovery of these remains shows that species such as Carcharocles megalodon used the shallow waters of the Miocene where Venado de San Carlos is currently located as a breeding area.

Introduction to geostatistical analysis of data in geosciences: theory and aplication

Resumen Kriging, el método de interpolación asociado a geoestadística, se ha usado y ha sido propuesto como el mejor método de interpolación, muchas veces sin realmente entender cómo es que se usa adecuadamente y dejando que el software que lo brinda decida cómo implementarlo. Esta aseveración tiene fundamento cuando se procede de la manera correcta, realizando los pasos necesarios durante el análisis y modelado geoestadístico, por lo que es necesario entender cómo aplicar Kriging correctamente para que los resultados obtenidos sean relevantes y confiables. Estos pasos se detallan en este trabajo, abordando la teoría, y mediante un ejemplo, con datos de la temperatura promedio de los últimos 10 para el 8 de Marzo para la provincia de San José, se pone en práctica el método usando el software estadístico libre R. Adicionalmente, se presenta una aplicación web de libre acceso para quienes no se sientan cómodos usando lenguajes de programación.

Abstract Kriging, the interpolation method linked to geostatistics, has been used and has been proposed as the best interpolation method, a lot of times without really understanding how to properly apply it and allowing the software that offers it to decide how to implement it. This statement is correct when used in the right way, performing all the necessary steps throughout the geostatistical analysis and modeling, for this reason is necessary to understand how to apply Kriging correctly so the results are relevant and reliable. These steps are detailed in this work, going over the theory, and through a practical example, using average temperature data over the last 10 years for March 8th for the San José province, the method is implemented using the free statistical software R. Additionally, a free access web application is shown for those who are not comfortable using programming languages.

Aplicación de escenarios de terremotos para el análisis de la amenaza de deslizamientos disparados por sismos: un estudio de caso en Costa Rica

Resumen Se muestran las capacidades de la modelación de escenarios de terremotos hipotéticos como una herramienta para la evaluación de la amenaza de deslizamientos cosismicos. El entorno geológico - tectónico de Costa Rica y sus características orográficas resultaron ideales para probar esta técnica. El modelo trabaja con: pendiente del terreno, velocidad máxima del suelo (VMS), índice topográfico compuesto (ITC), magnitud y profundidad del sismo disparador para pronosticar la probabilidad de deslizamientos y sus efectos. Se examinaron 5 ambientes tectónicos, eventos de subducción en las penínsulas de (1) Nicoya y (2) Osa respectivamente, (3) eventos intraplaca bajo la Cordillera Volcánica Central (CVC) y el (4) Cinturón Deformado del Centro de Costa Rica y (5) eventos en el tras-arco en el Caribe. Los resultados muestran variabilidad en los valores de umbral de pendientes VMS e ITC dependiente del ambiente modelado, para producir probabilidades de disparo de deslizamientos superiores al 10 %. La magnitud del sismo es siempre el principal controlador de la probabilidad máxima de ocurrencia de deslizamientos. Se validaron las predicciones del modelo comparando los resultados con inventarios de deslizamientos observados en los terremotos de Cinchona (2009) y Limón (1991), donde más del 70% de los deslizamientos ocurrieron en zonas con una probabilidad > 20%. Finalmente utilizamos un modelo global de impacto de deslizamientos para predecir los rangos de exposición y letalidad para cada escenario, revelando que los terremotos de tamaño moderado en CDCCR y CVC y los grandes terremotos de subducción representan un peligro potencial significativo para la población de Costa Rica.

Abstract In this study, we demonstrate the capabilities of hypothetical scenario earthquakes as a new tool for assessment of hazards associated with earthquake-triggered landslides. Costa Rica offers an ideal environment for demonstrating the utility of scenario earthquakes due to its diverse tectonic environments and associated widespread seismic hazard, rugged topography, and high landslide susceptibility. We investigate the relative influence of landslide proxies such as topographic slope, peak ground velocity (PGV), and compound topographic index (CTI), and earthquake source parameters such as magnitude and depth, on predicted landslide probability and fatality. We examine five distinct tectonic environments, including subduction events beneath the (1) Nicoya and (2) Osa peninsulas respectively, (3) intraplate earthquakes beneath the Central Volcanic Range (CVR) and (4) the Central Costa Rica Deformed Belt (CCRDB), and (5) back-arc thrust events on the eastern Caribbean coast. Our results demonstrate that the slope, PGV, and CTI thresholds necessary to produce landslide probabilities greater than 10% vary by tectonic environment. In all cases, we observe magnitude to be the primary control on the predicted maximum landslide probability and overall areal landslide coverage. We validate model predictions with observed landslide inventories from the 2009 Cinchona and 1991 Limon earthquakes, demonstrating a good fit, where over 70% of landslides occurring in zones of greater than 20% probability. We also use a global model of landslide impact to predict exposure and fatality ranges for each scenario earthquake of this study, revealing that moderate-sized earthquakes in the CCRDB and CVR and large subduction megathrust earthquakes each pose a significant hazard to Costa Rica’s population.

Geology of the Sheet 3247-i Monterrey, Alajuela, Costa Rica

Resumen La hoja Monterrey se ubica al noroeste de Costa Rica en el límite del arco volcánico activo y la cuenca de San Carlos (CSC), asociado con la sedimentación, el vulcanismo y la tectónica de la región tras-arco de América Central meridional. El objetivo y método de trabajo fue desarrollar el cartografiado geológico de los depósitos sedimentarios y volcánicos, la tectónica y el muestreo para dataciones radiométricas, geoquímica y petrografía de las diferentes unidades geológicas. Las rocas más antiguas de la Hoja Monterrey están constituidas por los sedimentos clásticos de la Formación Venado depositados en un ambiente de plataforma y transición continental de edad Mioceno Medio - Superior. La geocronología U-Pb del grupo de zircones detríticos más jóvenes en estos sedimentos, registran una edad de sedimentación máxima de 6,9 ± 0,2 Ma, sugiriendo una edad del Mioceno tardío y Plioceno de los sedimentos en esta región de la cuenca de San Carlos, correlacionable con dataciones previas de microforaminíferos, palinología y una edad radiométrica 40K/40Ar del vulcanismo que sobreyace estos sedimentos. La sedimentación del Plioceno en el área se interpreta como la colmatación de la cuenca asociado al cierre del istmo Centroamericano, registrado por una discordancia angular posiblemente asociado al evento tectónico registrado durante el final del Mioceno e inicios del Plioceno. El vulcanismo del Mioceno Superior es sub-alcalino de marcada afinidad toleítica y calco-alcalina y de transición a ambas series, variando de basaltos hasta dacitas. Los análisis geoquímicos sugieren una fuerte diferenciación de estos magmas a partir de fuentes de transición de tipo OIB (para las rocas de afinidad calco-alcalina/alcalina) a fuentes de tipo MORB (para los basaltos de afinidad toleítica) modificadas por los procesos de subducción. El vulcanismo piroclástico del Plio-Pleistoceno se asocia a ignimbritas de composición dacítica-andesítica calco-alcalina. En relación con magmas primarios, los análisis sugieren mayores o altos grados de la fusión parcial con un aporte de fluidos y sedimentos pelágicos carbonatados de la placa subducida al metasomatismo del manto. La normalización al manto primitivo indica enriquecimiento en LILE y deficiencias en HFSE asociado al aporte de fluidos y deshidratación de sedimentos marinos de la placa subducida al metasomatismo del manto, típico del vulcanismo de arco con una componente alcalina que puede estar más relacionada al vulcanismo del tras-arco que al vulcanismo del intra-arco del norte de Costa Rica. La Formación Monteverde de edad Pleistoceno inferior, abarca la mayor parte del área cerca del 78%, mayormente formando suelos de transición y residuales, constituido principalmente por andesitas, asociado también con un vulcanismo piroclástico y volcano-sedimentario presente en el sector suroeste de la hoja. La Formación Buena Vista conforma la actividad volcánica posterior a la Formación Monteverde y está constituido por depósitos volcaniclásticos (lahares) que forman brechas volcánicas muy endurecidas. Los depósitos piroclásticos Holocénicos del volcán Arenal (tefras) son de composición andesítica-andesítica basáltica calco-alcalina y se distribuyen al sur de la hoja. La tectónica compresiva del Mioceno Medio-Superior en el área está registrada por la deformación tectónica de fallas inversas en los sedimentos de la Formación Venado y la tectónica transtensiva del Plioceno y Pleistoceno por fallas principalmente de desplazamiento de rumbo consideradas activas. Las edades Cenozoicas y Mesozoicas obtenidas en zircones detríticos de la Formación Venado, registran el desarrollo y evolución del arco de islas de América Central meridional. En tanto, las edades Proterozoicas y Paleozoicas registran una posible conexión con el norte de América Central o sur de México, o un posible origen Gondwanico o Laurenciano. Sin embargo, podrían indicar también la presencia de fragmentos de corteza continental por debajo de América Central meridional. Estas edades de zircones primordiales son un aporte nuevo al conocimiento geocronológico y evolutivo de estos complejos continentales y proveen un paradigma para futuros estudios sobre la evolución geológica y geotectónica del istmo Centroamericano.

Abstract The Monterrey sheet is located in the northwest of Costa Rica in the limit of the active volcanic arc and the San Carlos basin (SCB), associated with the sedimentation, the volcanism and the tectonic of the back-arc region of southern Central America. The objective and methods were to develop the geological mapping of the sedimentary and volcanic deposits, the tectonic and the sampling for radiometric dating, geochemistry and petrography of the different units. The older rocks are conformed by clastic sediments belonging to Venado Formation, deposited in a shelf and transitional continental environment of Middle-Upper Miocene age. U-Pb geochronology for the youngest group of detrital zircons in these sediments constrained to a maximum depositional age of 6,9 ± 0,2 Ma, suggesting a late Miocene to Pliocene age sedimentation of the basin in this region of the SCB, which is in agreement with previous microforaminiferal and palynological dating and one 40K/40Ar radiometric age of the overlying volcanism on this sediments. The Pliocene sedimentation corresponds to the sealing of the basin associated with the Central American isthmus closure, recognized by an angular discordance associated with the tectonic event registered at the end of the Miocene and the beginning of the Pliocene. The Upper Miocene volcanism is subalkaline of marked tholeiitic and calc-alkaline afinity and transition to both series, varying from basalts to dacites. The geochemical analysis suggest a strong differentiation of these magmas from OIB type source (calc-alkaline/alkaline rocks) to MORB type source (tholeiitic basalts) modified by the subduction processes. The Plio-Pleistocene pyroclastic volcanism is associated to ignimbrites of calc-alkaline dacitic-andesitic composition. Related to primary magmas, the analysis suggest greater or high degrades of partial melting with an input of fluids and carbonate pelagic sediments from the subducting slab to the mantle metasomatism. The primitive mantle normalization shows LILE enrichments and HFSE depletions associated with the input of marine fluids and sediments dehydration of the subducted slab to the mantle metasomatism, typical of arc volcanism with an alkaline component that may be more related to the back-arc rather than the intra-arc volcanism of northern Costa Rica. The Monteverde Formation of the lower Pleistocene, cover most of the area of about 78%, forming transitional and sedentary soils mainly of andesite composition, associated also to a pyroclastic and volcaniclastic volcanism in the southwest of the sheet area. The Buena Vista Formation conform the subsequent volcanism of Monteverde Formation and is constituted by volcaniclastic deposits (lahars) of very indurate volcanic breccia. The pyroclastic Holocene deposits of Arenal volcano (tephra) are calc-alkaline of andesitic-basaltic andesite composition and are distributed to the south of the sheet. The compressive tectonic of the Middle to Upper Miocene is registered in the area by the tectonic deformation of thrusting faults in the sediments of the Venado Formation and the transtensive tectonic of the Plio-Pleistocene by mainly strike-slip faults considered active. The Cenozoic and Mesozoic detrital zircon ages of the Venado Formation, they register the development and evolution of the southern Central America volcanic arc, meanwhile, the Proterozoic and Paleozoic detrital zircon ages a possible connection with northern Central America or southern Mexico, or a possible Gondwanic or Laurentian origin. However, it could also indicate the presence of hidden continental crust fragments underneath southern Central America. These ancient detrital zircons ages constitute a new contribution to the geochronological knowledge and evolution of these continental complexes and provide a paradigm for future studies about the geologic and geotectonic evolution of the Central America isthmus.

Analysis of strong motion data form Costa Rica for the generation of attenuation models: 1998 to 2021 period

Resumen Los modelos de atenuación de las ondas sísmicas se obtienen a partir de datos aceleográficos y representan uno de los insumos más importantes para los estudios de amenaza sísmica, la cual es fundamental para el diseño de estructuras y sistemas sismorresistentes cada vez más eficientes. En vista de que el registro de nuevos sismos aporta información sumamente valiosa para actualizar dichos modelos y estudios, es necesario que ambos se revisen y se replanteen con cierta periodicidad. En este trabajo se desarrolla un análisis descriptivo de datos acelerográficos registrados en estaciones de Costa Rica hasta el año 2021, como base para el posterior desarrollo de modelos de atenuación para el país. La investigación está motivada por el gran número de datos acelerográficos registrados en los últimos 11 años, gracias a la densificación de la red de instrumentos que administra el Laboratorio de Ingeniería Sísmica de la Universidad de Costa Rica. Esto hace que, en el momento actual, se disponga de una base de datos acelerográficos suficientemente amplia y robusta, para poder generar ecuaciones de predicción del movimiento fuerte, conocidas como GMPEs (del inglés Ground motion prediction equations) que representen la atenuación en los tres regímenes tectónicos presentes en el país: cortical, subducción interfase y subducción intraplaca. En esta etapa de la investigación se analizan un total de 3192 registros asociados a 245 sismos, obtenidos después de aplicar una serie de filtros de selección sobre una base de datos compuesta inicialmente por 3981 registros. El análisis ha consistido en obtener las distribuciones del número de eventos y del número de registros en función de la magnitud, profundidad, régimen tectónico y tipo de suelo en la estación de registro, clasificando éste siguiendo los criterios del Código Sísmico de Costa Rica (CFIA, 2010). Entre los principales resultados de esta investigación, que condicionarán los rangos de aplicabilidad de los modelos que se desarrollen posteriormente, se destacan (1) la identificación de una escasez de registros en condiciones de suelo duro o roca (S1), así como de magnitudes altas a distancias hipocentrales cortas y de magnitudes bajas a distancias largas.; (2) el rango de distancias hipocentrales de los registros disponibles es (5-300 km) para sismos corticales, (15-300 km) para subducción interfase y (40-400 km) para subducción intraplaca. Finalmente, se estimaron dos medidas de distancia para fuentes extendidas, denominadas de ruptura, R RUP, y de Joyner y Boore, R J&B, empleadas cuando la ruptura no puede considerarse como puntual. Dichas distancias se han calculado a partir de las distancias para fuentes puntuales, epicentral e hipocentral, R EPI e R HYPO respectivamente, siguiendo la metodología propuesta por Thompson y Worden (2018).

Abstract Seismic waves attenuation models are obtained from accelerographic data and represent one of the most important inputs for seismic hazard studies, which are essential for the design of increasingly efficient seismic-resistant structures and systems. Given that the recording of new earthquakes provides extremely valuable information to update these models and studies, it is necessary that both be reviewed and reconsidered periodically. In this work, a descriptive analysis of accelerographic data recorded in stations in Costa Rica until the year 2021 is presented, as a basis for the subsequent development of attenuation models for the country. The research is motivated by the large number of accelerographic data recorded in the last 11 years, thanks to the densification of the instrument network managed by the Seismic Engineering Laboratory of the University of Costa Rica. This means that, at the present time, there is a sufficiently broad and robust accelerographic database to be able to generate ground motion prediction equations, known as GMPEs, that represent the attenuation in the three tectonic regimes present in the country: crustal, interphase subduction and intraslab subduction. In this stage of the investigation, a total of 3,192 records associated with 245 earthquakes are analyzed, obtained after applying a series of selection filters on a database initially composed of 3,981 records. The analysis has consisted of obtaining the distributions of the number of events and the number of records based on the magnitude, depth, tectonic regime and type of soil at the recording station, classifying it following the criteria of the Seismic Code of Costa Rica (CFIA , 2010). Among the main results of this research, which will condition the ranges of applicability of the models that are developed later, are (1) the identification of a scarcity of records in conditions of hard soil or rock (S1), as well as of high magnitudes at short hypocentral distances and low magnitudes at long distances.; (2) The range of hypocentral distances from the available records is (5-300 km) for crustal earthquakes, (15-300 km) for interphase subduction, and (40-400 km) for intraslab subduction. Finally, two distance measurements were estimated for extended sources, called rupture, R RUP, and Joyner and Boore, R J&B, used when the rupture cannot be considered punctual. These distances have been calculated from the distances for point sources, epicentral and hypocentral, R EPI and R HYPO respectively, following the methodology proposed by Thompson y Worden (2018).