Incasciences 1 (1):
43-51. Octubre, 2023 doi:10.47347/incasciences.v1i1.27
CARACTERIZACIÓN MAGNETOTELÚRICA DE LAS
FALLAS Y SISTEMA DE FALLAS EN EL VALLE DEL CUSCO, SUR DEL PERÚ
Yanet Antayhua1, Briant García1, Lorena Rossell1, Carlos Benavente1, Martyn
Unsworth2
1Instituto Geológico
Minero y Metalúrgico -
INGEMMET, Dirección de Geología
Ambiental y Riesgo Geológico,
Av. Canadá 1470, San Borja, Lima, Perú.
2Universidad de Alberta, Facultad de Ciencias, 116 St. and
85 Ave., Edmonton, AB, T6G 2R3, Canadá Corresponding
author: Yanet Antayhua (yantayhua@ingemmet.gob.pe)
RESUMEN
En este
estudio, se presenta los resultados obtenidos de la investigación magnetotelúrica (MT)
llevada a cabo en abril de 2018 en las principales fallas y sistemas de fallas identificados a lo largo
del valle del Cusco, sur del Perú. El perfil magnetotelúrico tiende en dirección
suroeste-noreste (SO-NE) y consiste
de 14 sondeos MT, con espaciamientos
de 500 a 700 m. En cada ubicación, se registraron datos de 10 a 24 horas, a fin de medir
la resistividad del subsuelo
a una profundidad aproximada
de 6 km. Estos datos fueron convertidos en un modelo de resistividad eléctrica del subsuelo utilizando un algoritmo de inversión 2-D. El modelo de resistividad eléctrica fue interpretado
sobre la base de los estudios
geológicos y estructurales.
Considerando que las zonas de fallas
han mostrado respuestas conductivas en otros estudios,
nosotros interpretamos que las
zonas conductivas, identificadas
en el modelo
de resistividad eléctrica, sugieren una significativa correlación con las trazas de las
fallas del valle del Cusco.
Asimismo, se muestra por primera
vez la geometría en profundidad (~6 km) de un sistema extensivo de fallas imbricadas que consisten en fallas
normales y activas. Esto también nos
invita a considerar a la falla Cusco como una estructura tectónica activa, que podría incrementar el peligro sísmico en el valle
del Cusco.
Palabras clave: Magnetotelúrica,
Fallas activas, Zona conductiva, Zona resistiva, Peligro sísmico
ABSTRACT
In this study we present the result of
a magnetotelluric (MT) investigation carried out in
April 2018 across the main faults and fault systems identified along the
Cusco Valley, southern Peru. The profile trends southwest-northeast
(SW-NE) and consist of 14 MT soundings with a spacing of 500-700 m. At each location
data were recorded for 10 to 24 hours, in order to measure the subsurface
resistivity to a depth of ~6 km. The data were converted into a model of subsurface
electrical resistivity using 2-D inversion algorithm. This resistivity model was
interpreted on the basis of geology and structural studies. Considering that fault
zones have been showed relatively conductive responses in other studies, we
interpret that the conductive zones identified in the electrical
resistivity model suggest a significant correlation with traces of the
active faults of the Cusco Valley. We also show, for the first time, the
geometry in depth (~6 km) of an extensive system of interlocking faults
consisting of several normal and active faults. It also invites us to consider the
Cusco fault as an active tectonic structure, which could increase the seismic hazard
in the Cusco Valley.
Keywords: Magnetotelluric,
Active Faults, Conductive zone, Resistive zone, Seismic Hazard.
1. INTRODUCCIÓN
La
ciudad del Cusco, en el valle del mismo nombre, se ubica en la parte central del departamento de Cusco, sur del Perú (71°58’ O, 13°30’ S), y
se constituye como una de
las ciudades más vulnerables ante la ocurrencia de
sismos de magnitud moderada (Mw>5.5) como consecuencia de la activación y/o
reactivación de fallas geológicas. Los estudios previos de Sébrier et al. (1985),
Cabrera et al. (1991) y los recientes de Carlotto et
al. (2013), Benavente et al. (2013), Rosell et al. (2018) y Wimpenny
et al. (2020) coincidieron en
señalar que en el valle del Cusco se emplazan las fallas Cusco, Tambomachay y el Sistema de Fallas Pachatusan (Figura 1).
Figura 1 a) Mapa geológico del valle del Cusco con la ubicación de
las fallas y sistema de fallas y del perfil magnetotelúrico en dirección suroeste-noreste
(SO-NE). b) Sección estructural
suroeste-noreste (SO-NE).
Según Sébrier
et al. (1985), la Falla Tambomachay
habría presentado movimientos de tipo inverso y de rumbo durante el
Cenozoico, mientras que en el Cuaternario
cambió a tipo normal con buzamientos entre 60° y 70° hacia
el sur. Con relación a la Falla Cusco, la actividad tectónica cuaternaria fue evidenciada por Benavente et al. (2013) a través del
análisis de los escarpes de
la falla y la deformación de
los sedimentos. Los resultados
mostraron dos tipos de deformaciones; la primera (en el sector sureste)
de tipo compresiva, con dirección N128°E y con buzamiento
promedio de 62° hacia el suroeste, la segunda (en el
sector norte) de tipo
normal. Mientras tanto, el
Sistema de Fallas Pachatusan
(SFP), ubicado al sureste
de la ciudad de Cusco, está representado
por segmentos estructurales
discontinuos que, en total,
tienen una longitud aproximada de 21 km. Estos segmentos estructurales forman parte de las fallas cuaternarias activas ubicadas entre la
cordillera Oriental y el Altiplano, son de tipo normal y buzan al suroeste con ángulos que oscilan entre 50° y 70°.
De estas fallas y sistemas de fallas del valle del Cusco, la Falla Tambomachay es considerada la más importante debido a que se ubica a tan sólo 4 km de la ciudad
de Cusco, donde viven más de cuatrocientos mil habitantes. Además, algunos segmentos de esta falla ha sido
ocupado por la población. La ocurrencia
de algún sismo de moderada magnitud en esta falla
o cercana a ésta, podría causar pérdidas
de vidas humanas y daños en la infraestructura,
tal como habría sucedido con los sismos de 1650 (M~7.2) y 1950 (M~6.0) (Silgado,
1978).
Estos sismos
no serían los únicos, puesto que los estudios paleosismológicos (Benavente et
al., 2013) evidenciaron la ocurrencia
de sismos de magnitud moderada en los años 1707 y 1943, con magnitudes mayores
a 6.5 (M>6.5) y profundidades menores
a 30 km. Asimismo, los estudios
de microsismicidad (Guardia & Tavera, 2015) correspondientes al periodo noviembre 2011-noviembre 2012 demostraron
que estas fallas están sísmicamente activas.
Aunque los estudios
geológicos y estructurales
de las fallas y sistema de fallas del valle del Cusco se intensificaron durante los últimos 10 años, estos estuvieron enfocados al conocimiento
superficial y en menor
grado a niveles profundos. En este
contexto, en este estudio se aplicó el método
magnetotelúrico a fin de contribuir
con el conocimiento de estas fallas en
profundidad y correlacionarlas
con los estudios geológicos,
geofísicos y estructurales.
El conjunto de datos
utilizados en este estudio proviene
de 14 sondeos magnetotelúricos
(CU01-CU14) adquiridos entre el
9 y 18 de abril del año 2018,
a lo largo del perfil longitudinal suroeste- noreste (SO-NE) (Figura 1) de aproximadamente 13
km que atraviesa, transversalmente,
las principales fallas y sistema de fallas activas del valle del Cusco. Los datos fueron registrados
con dos equipos magnetotelúricos
MTU-5A 2000, adquiridos por INGEMMET en el año
2015. Estos equipos constan de una antena GPS para sincronizar la hora de registro, tres bobinas de inducción y cinco electrodos porosos con sulfuro de cobre para medir, simultáneamente, tres campos magnéticos
(Hx, Hy, Hz) y dos campos eléctricos
(Ex, Ey) entre 10 y 24 horas continuas,
en el rango
de 0.003 s a 500 s.
Para asegurar
la calidad de los registros,
especialmente en la ciudad de Cusco donde
es inherente el ruido industrial, se empleó la técnica de medición simultánea de dos sondeos MT, de tal modo que el registro de uno o del otro pudo ser utilizado como si fuese
una estación de referencia (Smirnov
et al., 2008), con lo cual se logró
reducir el ruido industrial propio de la ciudad
del Cusco.
2.
MÉTODOS Y RESULTADOS
2.1
Adquisición de datos
El conjunto de datos
utilizados en este estudio proviene
de 14 sondeos magnetotelúricos
(CU01-CU14) adquiridos entre el
9 y 18 de abril del año 2018,
a lo largo del perfil longitudinal suroeste- noreste (SO-NE) (Figura 1) de aproximadamente 13
km que atraviesa, transversalmente,
a las principales fallas y sistema de fallas activas del valle del Cusco. Los datos fueron registrados
con dos equipos magnetotelúricos
MTU-5A 2000, adquiridos por INGEMMET en el año
2015. Estos equipos constan de una antena GPS para sincronizar la hora de registro, tres bobinas de inducción y cinco electrodos porosos con sulfuro de Cobre para medir, simultáneamente, tres campos magnéticos
(Hx, Hy, Hz) y dos campos eléctricos
(Ex, Ey) entre 10 y 24 horas continuas,
en el rango
de 0.003 s a 500 s.
Para asegurar
la calidad de los registros,
especialmente en la ciudad de Cusco donde
es inherente el ruido industrial, se empleó la técnica de medición simultánea de dos sondeos MT, de tal modo que el registro de uno o del otro pudo ser utilizado como si fuese
una estación de referencia (Smirnov
et al., 2008), con lo cual se logró
reducir el ruido industrial propio de la ciudad
del Cusco.
2.2
Procesamiento
El procesamiento
inicial de los datos MT fue realizados con los programas SSMT2000 y MT-Editor desarrollados
por la empresa Phoenix Geophysics Ltd. Estos programas permitieron visualizar los registros en series de tiempo, convertirlos a series de frecuencia para obtener las funciones de transferencia, y a partir de éstos se obtuvieron curvas de resistividad y fase (Figura 2a).
Posteriormente, este
procesamiento fue optimizado con programas robustos desarrollados y modificados por Yu Tang de la Universidad de Alberta (Canadá) y basados en la estimación robusta de la función de transferencia geomagnética de Egbert
& Booker (1986). La aplicación del programa de Yu Tang permitió recuperar mayor información de
las curvas de resistividad
y fase en las altas y bajas frecuencias
y, por tanto, ampliar la profundidad
de exploración (Figura 2b).
Figura 2 Ejemplos del despliegue de las curvas de resistividad y fase de los sondeos magnetotelúricos CU02 y CU14. a). Procesamiento
de los sondeos CU02 y CU14 utilizando
los programas robustos
SSMT2000 de Phoenix Geophysics (lado izquierdo) y el método de Egbert (lado derecho) modificado por Yu Tang de la Universidad de Alberta (Canadá). b). Procesamiento robusto donde se recupera información a periodos mayores a 10 s. Las curvas de color rojo y azul representan los modos transverso eléctrico (TE) y transverso magnético (TM) respectivamente.
2.2.1
Dimensionalidad y direccionalidad
(strike)
A partir de
los datos magnetotelúricos obtenidos en los 14 sondeos, se analizó la dimensionalidad y la direccionalidad
(strike) de la estructura geoeléctrica;
para ello, se aplicó el método del tensor de fase de Caldwell et al. (2004). Este método,
además de brindar información de la dimensionalidad,
permite obtener información de la variación de la
resistividad en profundidad. En relación con la dimensionalidad, el tensor de fase representado por un círculo sugiere una estructura geoeléctrica de una dimensión
(1-D) y si la representación
es por elipses sugiere estructuras de dos dimensiones (2-D)
y tres dimensiones (3-D). Asimismo, la orientación preferencial del eje mayor o menor de la elipse permite delinear la direccionalidad (strike) de la estructura
geoeléctrica que, por lo general, es concordante con la orientación de
los sistemas de fallas principales de la zona de estudio.
En la Figura
3, se presenta los diagramas
del tensor de fase para los periodos
T=1.16 s (Figura 3a), T=13.68 s (Figura
3b), T= 45.45 s (Figura 3c) y T= 62.89 s (Figura 3d), a lo largo del perfil
magnetotelúrico SO-NE. Los resultados
muestran formas de elipses con los semiejes mayores orientados en dirección SO-NE, lo que sugiere, a priori, que el comportamiento de
la estructura geoeléctrica
en el valle
del Cusco es 2-D, con direccionalidad (strike) de -50
en dirección NO (Figura 3e), consistente con la dirección preferencial de las fallas Cusco, Tambomachay y el Sistema de Fallas Pachatusan.
Figura 3 Estimación de la dimensionalidad y
direccionalidad de la estructura
geoeléctrica utilizando el método de tensor de fase (Caldwell et al., 2004) para los periodos
(T) de: a) T=1.16 s; b) T=13.68 s, c) T=45.45 s y d) T=62.89 s. La escala de colores representa las estructuras conductivas (amarillo- rojo: >2.5) y resistivas (verde-azul: <2.5). Los diagramas
de rosas representan las direcciones de la estructura geoeléctrica para cada frecuencia. e) Promedio de la direccionalidad de la estructura geoeléctrica regional.
Con los resultados
obtenidos del análisis de la
dimensionalidad (2-D) y la dirección
preferencial de la estructura
geoeléctrica (N50°O) se realizó
la inversión magnetotelúrica
conjunta 2-D de los modos transverso eléctrico (TE) y transverso magnético (TM), basados en los conceptos de gradientes conjugados no lineales (NLCG) descritos por Rodi & Mackie
(2001). Después de 77 iteraciones,
se seleccionó el modelo de resistividad mostrado en la Figura 4a. Este modelo fue obtenido con una malla de 102 x 75 celdas con topogratia, el porcentaje de error de 10%, el parámetro de regularización
τ de 30 y la Raíz Media Cuadrática
(RMS) de 2.9. En la Figura
4b se muestra la representación 3D del valle del Cusco, con la ubicación
de las fallas Cusco y Tambomachay,
el Sistema de Fallas Pachatusan, los sondeos magnetotelúricos (CU01-CU14) y la distribución
de la resistividad en profundidad obtenida de la inversión magnetotelúrica. En esta figura,
también se observa que la profundidad de exploración alcanzó 6 km aproximadamente. En general, se identificaron
cuatro zonas conductivas
(C1-C4) y dos zonas resistivas (R1, R2).
Figura 4 a) Distribución de la resistividad obtenida de la inversión 2-D. b) Representación tridimensional del modelo
magnetotelúrico del valle del
Cusco en dirección SO-NE. Las
líneas en color rojo representan las fallas Cusco (FC), Tambomachay (FT)
y el Sistema de Fallas Pachatusan (SFP). C1-C4: zonas conductivas
R1y R2: zonas resistivas.
2.3.1
Zonas conductivas
Las zonas conductivas
C1 y C2, se caracterizan por presentar
resistividades bajas de 10 a
70 Ω-m y se ubican en
el extremo SO y NE del perfil. Las zonas conductivas
C3 y C4, ubicadas en la parte central del perfil, presentan resistividades menores a 7 Ω-m y alcanzan profundidades de 4 km. De manera particular,
la zona conductiva C3 se asemeja
a la geometría tipica de
una cuenca que se extiende hacia el suroeste
hasta alcanzar profundidades
de 6 km.
2.3.2
Zonas resistivas
Las zonas resistivas
R1 se ubican al suroeste y noreste del perfil magnetotelúrico y alcanzan profundidades entre 5 y 2 km respectivamente.
La zona resistiva R2, a diferencia
de R1, presenta resistividades
altas entre 100 y 1000 Ω-m.
3.
DISCUSIÓN
La aplicación
del método magnetotelúrico en el estudio
de fallas geológicas activas se ha incrementado considerablemente durante los últimos 20 años. Por ejemplo, los estudios realizados por Triahadini (2019),
Balasco et al. (2015), Pavez
(2015), Unsworth & Bedrosian (2004), Hoffmann-Rothe (2002), Unsworth (2002), entre otros,
han identificado una estrecha correlación entre las
zonas conductivas con las fallas
activas.
En algunos
casos, la posible continuidad de una falla en profundidad mostraba discontinuidades en la distribución de las resistividades. Sin embargo, es importante
mencionar que una buena interpretación depende, básicamente, de la correlación de
todos los estudios disponibles (geológicos, geofísicos, estructurales, entre otros). El estudio magnetotelúrico realizado en el valle
del Cusco ha permitido identificar
cuatro zonas conductivas
(C1-C4) y dos zonas resistivas (R1, R2). La interpretación conjunta de este estudio, con los estudios geológicos y estructurales se presenta en la Figura 5. También del siguiente modo:
3.1 La zona conductiva
C1
Localizada al suroeste
del perfil MT, estaría
correlacionada con el contacto de las formaciones Kayra y Soncco (Eoceno Medio-Oligoceno Inferior).
Asimismo, la presencia de agua a niveles superficiales, podría estar influenciando en la respuesta conductiva de esta zona. La zona conductiva C2 (Figuras 4 y 5), observada en el
extremo noreste del perfil, sugiere una fuerte correlación con las trazas del Sistema de Fallas Pachatusan que actúa como una falla vertical y con buzamiento al suroeste. Al prolongar la continuidad de las trazas y siguiendo la tendencia general de la zona conductiva
en profundidad (Figura 5), es posible sugerir que este sistema de fallas alcanza profundidades mayores a 6 km.
Figura 5 Representación tridimensional de la interpretación
de la distribución de la resistividad
con los estudios geológicos
y estructurales del valle
del Cusco. La línea roja representa la posible continuación en profundidad de los sistemas de fallas. El signo de interrogación representa a la zona de alta
resistividad, probablemente
asociado con el stock diorítico que aflora en Sacsayhuamán.
Las zonas conductivas
C3 y C4
Ubicadas en
la parte central del modelo
podrían estar asociadas con la expresión superficial
de las fallas Cusco y Tambomachay
(Figura 5).
Analizando la forma de estas zonas conductivas en profundidad y su correlación con las fallas, es posible sugerir que la falla Cusco no es profunda;
en todo caso,
no sobrepasaría los 4 km y estaría
buzando al noreste. Mientras tanto, la continuidad de
la falla Tambomachay se extendería por debajo de los 6 km
en dirección suroeste. La respuesta conductiva en esta
zona también podría estar sustentada en la posible circulación
de fluidos (agua) a través de la falla.
Las zonas resistivas
R1 (Figura 5) observadas en el extremo
suroeste y noreste pueden estar identificadas
con las rocas volcánicas de
la Formación Rumicolca (Neógeno-Cuaternario) y las secuencias
sedimentarias de la Formación
Kayra (Eoceno Medio). La
zona resistiva R2 fue identificada debajo del valle del Cusco y por debajo de las
zonas conductivas C3 y C4. Este cuerpo
de alta resistividad que se
incrementa en profundidad podría ser interpretado como una roca intrusiva enterrada, que probablemente corresponde al stock diorítico (Cretásico) que aflora en Sacsayhuamán (Carlotto et al.,
2011). Otra posible explicación podría estar asociada a las rocas volcánicas de la Formación Rumicolca (Neógeno-Cuaternario).
En general, los resultados de este estudio sugieren que los sistemas de fallas del valle del Cusco tienen un régimen extensivo de fallas imbricadas que consisten en fallas
normales y activas con continuidad en profundidad (> 6 km). Asimismo,
esto ha permitido brindar mayor información de la falla Cusco. De acuerdo al modelo resistivo y su correlación con los estudios geológicos, no sobrepasaría los 4 km de profundidad
y estaría buzando al noreste. Por su ubicación y profundidad superficial,
también se constituye como otra estructura
tectónica activa que incrementa el peligro
sísmico en el valle del Cusco.
4.
CONCLUSIÓN
La caracterización
magnetotelúrica efectuada en las principales fallas y sistemas de fallas de Cusco, a lo largo del perfil
SO- NE (Figuras 4 y 5) muestra que el subsuelo está
conformado por cuatro zonas
conductivas (C1-C4) y dos zonas resistivas
(R1 y R2). Estas zonas conductivas
están estrechamente correlacionadas con la información
geológica estructural de la
zona de estudio y con la posición
superficial de las fallas Cusco, Tambomachay y el Sistema de Fallas Pachatusan. Asimismo, la distribución de la resistividad en profundidad, permite sugerir que estas fallas podrían tener continuidad a lo largo de las
zonas conductivas. Esta característica evidencia que estas fallas son activas y prueba de ello son las deformaciones cuaternarias observadas y analizadas por Benavente et al.
(2013) y las mediciones de cambios
de velocidad efectuadas por
Taipe et al. (2017).
Por otro lado, las fuentes históricas indican que la ciudad
del Cusco y sus alrededores han
sido afectados por sismos de hasta 7.2 de magnitud, con
pérdidas de vidas humanas y destrucción en la infraestructura; por lo
tanto, es imprescindible continuar
con los estudios aplicando estas técnicas y metodologías en el resto del valle del Cusco y en las regiones vulnerables del Perú, a fin de ampliar
el conocimiento del subsuelo del valle del Cusco y, de
esta forma, contribuir a la
reducción del riesgo asociado a la activación de fallas geológicas.
Agradecimiento
Los autores agradecen al Ing. José Cárdenas de la Universidad Nacional San
Antonio Abad del Cusco (UNSAAC). A los estudiantes de
la Escuela Profesional de Ingeniería
Geológica de la Universidad Nacional San Antonio Abad
de Cusco. Al Dr.
Víctor López Durand, Decano de la Facultad
de Zootecnia y Agronomía de
esta misma universidad, por las facilidades obtenidas para instalar los equipos magnetotelúricos y garantizar la seguridad de los mismos en los espacios
asignados. Nuestro agradecimiento. Al Ing. José Huilca
de la Dirección de Recursos
Minerales y Energéticos del
INGEMMET, por su apoyo durante los primeros días del trabajo de campo. A la Universidad de Alberta por los algoritmos de procesamiento y los
conocimientos compartidos. Finalmente, nuestro agradecimiento a los revisores
por sus valiosos aportes y comentarios.
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