Studying sedimentary architecture and topography to reduce earthquake damage: a sedimentological perspective on the Kahramanmaraş earthquakes

The area where most of the collapses occurred is an ancient alluvial drain for the drainage of water and sediment from the upper parts of Mount Ahir.

When it comes to earthquakes, the nature of the geology of the Earth’s surface and its geometry are critical for understanding the intensity and type of ground movement where we live. Of course, other factors are important when assessing the risk of damage to human-built structures (for example, engineering design and materials used). From a sedimentological perspective, it is possible to identify critical elements in the subsurface that we must consider if we want to predict areas where human structures will receive comparatively high-intensity seismic waves. Two critical elements are: (1) the general architecture of the subsurface geology, which includes the type of sediment and types of rocks, as well as their dimensions, and (2) the geometry of the Earth’s surface (i.e., topography).
An earthquake can simply be defined as the movement of the ground due to shock waves. There are different causes for shock waves to occur in the Earth (read more here). The earthquakes in southern Turkey in 2023 were triggered by the rupture of two sections associated with the southeastern boundary of the so-called Anatolian tectonic plate. Several areas of the crust at depths of less than 10 km were torn apart, and the shock waves, also called seismic waves, began to propagate in all directions at speeds on the order of kilometers per second. Seismic waves are not just of one type: as the crust pushes rocks and sediments away from the area where it broke, two main waves develop: a first wave, called ‘P’, and a second, slower wave, called ‘S’. When they reach the Earth’s surface, these two fronts interact with it, developing what are called surface waves, which are the most destructive for human structures. The physical characteristics of these surface waves change dramatically as they propagate along the Earth’s surface, depending on the two critical elements mentioned above: the architecture of the subsurface and the topography (read more here).

These changes in the physical characteristics of the waves are generally explained by experts as the ‘non-linear’ behavior of the ground (soil and sediment will be used interchangeably here). In simple terms, the non-linear behavior of a material refers to a situation where a material does not respond to a force or stress predictably, based on what had been occurring as the stress increased. For example, if a relatively small amount of force is applied to an elastic band, it will stretch proportionally to the applied force, and we can record this data as linear behavior. However, when more force is applied, the elastic band will eventually reach a point where it no longer stretches proportionally to the applied force. The same stress has caused changes in the physical properties of the elastic band, so the mathematics that would be used to predict its deformation no longer works. This change in the relationship between applied force and deformation is called non-linear behavior. In other words, a material that exhibits non-linear behavior may behave unexpectedly or unpredictably when subjected to variable levels of stress or force. This can make it difficult to accurately predict which areas in a populated region will experience more damaging ground movement than others.

Due to this uncertainty, geoengineers develop computer and laboratory models to test different scenarios where seismic waves with varying properties propagate through geological models with various types of subsurface architecture and topography (Figure 1).

 

Figure 1 Amplification of seismic waves in the Volvi-EuroSeisTest basin, Greece: BEM simulations at different frequencies Fi and related maximum amplifications (Semblat, 2005, Semblat, 2011).

The illustrated models aim to understand how seismic waves propagate in different configurations of geological structures and thicknesses of sedimentary units to the ‘bedrock surface’ of the basin (the surface of well-lithified rock units where sediments rest). Knowing the depth to bedrock from the ground is of utmost importance for some experts (for example, Semblat et al., 2005). There is a consensus that settlements over ‘soft’ sediment-filled valleys or isolated asymmetric rocky reliefs tend to show more intense surface waves (for example, Primofiore et al., 2020). However, the geological and geomorphological factors related to the sedimentological evolution of the landscape also impact the intensity of surface waves: topography as a key factor that can amplify ground movement during earthquakes (Çelebi, 1991; Primofiore et al., 2020).
Italy and Turkey: When Sedimentology Plays a Key Role in Understanding Areas with Higher Risk of Damage

From August 2016 to January 2017, a seismic sequence occurred in the Central Apennines (Italy). During the first shock, two nearby locations showed intensity values that were different enough to investigate the cause(s): macroseismic surveys reported an EMS intensity of 8-9 in the old village of Arquata del Tronto, located along the rocky ridge, while an intensity of 7 EMS was recorded in the Borgo neighborhood, situated in the alluvial valley at the foot of the rocky ridge (Primofiore et al., 2020). Researchers proposed the hypothesis that differences in topography and subsurface geology could explain the variability in intensity. Numerical models established for different soil movement frequencies would support that hypothesis (Figure 2).

 

This figure is the result of modeling S waves in the area of the Arquata del Tronto ridge. Each figure shows amplification results for ‘components’ of the wave perpendicular to each other. The red colors in the image on the right show relatively high amplifications (and damage) with the modeled wave values. Primofiore et al., 2020.

In the city of Kahramanmaraş (Turkey), certain areas of the city had most of the collapsed buildings during the earthquake of February 6, 2023. The area where most of the collapses occurred is an ancient alluvial drain for the drainage of water and sediment from the upper parts of Mount Ahir (Figure 3). The sedimentary architecture of the alluvial fans would be sufficiently different from the surrounding areas to consider that this observation may have been a key factor contributing to the comparatively greater destruction of buildings (see examples of alluvial fan architecture here).

The image on the left shows a satellite view of the central part of the city of Kahramanmaraş with a stretched color overlay rendered from a digital elevation model (DEM). The DEM clearly shows that the city center is situated at the mouth of a drainage system from Mount Ahir. The image on the right shows a recent satellite view of the city center where most of the buildings collapsed.

The image on the left shows a satellite view of the central part of the city of Kahramanmaraş with a stretched color overlay rendered from a digital elevation model (DEM). The DEM clearly shows that the city center is situated at the mouth of a drainage system from Mount Ahir. The image on the right shows a recent satellite view of the city center where most of the buildings collapsed.

Adapting buildings to seismic hazards is costly, but, as shown by the earthquakes of 2016 in Italy, governments could use expert models to focus investments in certain areas of cities and towns where adaptation would be a priority due to comparatively high risk.
Help earthquake victims here: www.ifrc.org

References:

Celebi, M., 1991. Topographic and geological amplification: case studies and implications for engineering. Structural Safety, 10(1-3), pp.199-217.

Primofiore, I., Baron, J., Klin, P., Laurenzano, G., Muraro, C., Capotorti, F., Amanti, M. and Vessia, G., 2020. 3D numerical modeling to interpret topographic effects on rocky hills for seismic microzonation: the case study of the Arquata del Tronto neighborhood. Engineering Geology, 279, p.105868.

Semblat, J.F., Kham, M., Parara, E., Bard, P.Y., Pitilakis, K., Makra, K. and Raptakis, D., 2005. Amplification of seismic waves: basin geometry vs soil stratification. Soil dynamics and earthquake engineering, 25(7-10), pp.529-538.

Semblat, J.F., 2011. Modeling the propagation and amplification of seismic waves in linear and non-linear one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional media. International Journal of Geomechanics, 11(6), pp.440-448.

El estudio de la arquitectura sedimentaria y la topografía para reducir los daños provocados por los terremotos: una perspectiva sedimentológica sobre los terremotos de Kahramanmaraş

El área donde ocurrieron la mayoría de los colapsos es un antiguo desagüe aluvial para el drenaje de agua y sedimento de las partes altas de la montaña Ahir.

Cuando se trata de terremotos, la naturaleza de la geología de la superficie de la Tierra y su geometría son críticas para entender la intensidad y el tipo de movimiento del suelo donde vivimos. Por supuesto, otros factores son importantes al evaluar el riesgo de daños en estructuras construidas por el ser humano (por ejemplo, el diseño de ingeniería y los materiales utilizados). Desde un punto de vista sedimentológico, es posible identificar elementos críticos en el subsuelo que debemos considerar si queremos prever áreas donde las estructuras humanas recibirán ondas sísmicas de intensidad comparativamente alta. Dos elementos críticos son: (1) la arquitectura general de la geología del subsuelo, que incluye el tipo de sedimento y tipos de rocas, así como sus dimensiones, y (2) la geometría de la superficie terrestre (es decir, la topografía).

Un terremoto se puede definir simplemente como el movimiento del suelo por ondas de choque. Hay diferentes causas para que se produzcan ondas de choque en la Tierra (lee más aquí). Los terremotos del sur de Turquía en 2023 fueron provocados por la ruptura de dos secciones asociadas con el límite sureste de la denominada placa tectónica anatólica. Varias áreas de la corteza a profundidades menores de 10 km se desgarraron y las ondas de choque, también llamadas ondas sísmicas, comenzaron a propagarse en todas direcciones a velocidades del orden de kilómetros por segundo. Las ondas sísmicas no son solo de un tipo: a medida que la corteza empuja rocas y sedimentos lejos del área donde se rompió, se desarrollan dos ondas principales: una primera ola, llamada ‘P’ y una segunda, más lenta, llamada ‘S’. Cuando llegan a la superficie de la Tierra, estos dos frentes interactúan con ella, desarrollando las llamadas ondas de superficie, las más destructivas para las estructuras humanas. Las características físicas de estas ondas de superficie cambian dramáticamente a medida que se propagan por la superficie de la Tierra, dependiendo de los dos elementos críticos mencionados anteriormente: la arquitectura del subsuelo y la topografía (lee más aquí).

Esos cambios en las características físicas de las ondas son generalmente explicados por expertos como el comportamiento ‘no lineal’ del suelo (suelo y sedimento se usarán aquí indistintamente). En términos simples, el comportamiento no lineal de un material se refiere a una situación en la que un material no responde a una fuerza o estrés de manera predecible, lo que se basa en lo que había estado ocurriendo a medida que el estrés aumentaba. Por ejemplo, si se aplica una cantidad relativamente pequeña de fuerza a una banda elástica, se estirará proporcionalmente a la fuerza aplicada, y podemos registrar estos datos como un comportamiento lineal. Sin embargo, cuando se aplica más fuerza, la banda elástica eventualmente alcanzará un punto en el que ya no se estira proporcionalmente a la fuerza aplicada. El mismo estrés ha causado cambios en las propiedades físicas de la banda elástica, por lo que las matemáticas que se usarían para predecir su deformación ya no funcionan. Este cambio en la relación de fuerza aplicada y deformación se llama comportamiento no lineal. En otras palabras, un material que exhibe un comportamiento no lineal puede comportarse de manera inesperada o impredecible cuando se le somete a niveles variables de estrés o fuerza. Esto puede dificultar predecir con precisión qué zonas en un área poblada sufrirán un movimiento del suelo más dañino que otras.

Debido a esta incertidumbre, los geoingenieros desarrollan modelos en computadoras y laboratorios para probar diferentes escenarios donde las ondas sísmicas con diferentes propiedades se propagan a través de modelos geológicos con varios tipos de arquitectura del subsuelo y topografía (Figura 1).

 

Figura 1 Amplificación de ondas sísmicas en la cuenca Volvi-EuroSeisTest, Grecia: simulaciones BEM a diferentes frecuencias Fi y amplificaciones máximas relacionadas (Semblat, 2005, Semblat, 2011).

Los modelos ilustrados tienen como objetivo entender cómo las ondas sísmicas se propagan en diferentes configuraciones de estructuras geológicas y grosores de las unidades sedimentarias hasta la ‘superficie de la roca madre’ de la cuenca (la superficie de unidades de roca bien litificadas donde descansan los sedimentos). Conocer la profundidad hasta la roca madre desde el suelo es de suma importancia para algunos expertos (por ejemplo, Semblat et al., 2005). Hay un consenso en que los asentamientos sobre valles ‘blandos’ llenos de sedimentos o relieves rocosos aislados asimétricos tienden a mostrar ondas de superficie más intensas (por ejemplo, Primofiore et al., 2020). Pero los factores geológicos y geomorfológicos relacionados con la evolución sedimentológica del paisaje también tienen un impacto en la intensidad de las ondas de superficie: la topografía como un factor clave que puede amplificar el movimiento del suelo durante los terremotos (Çelebi, 1991; Primofiore et al., 2020).

Italia y Turquía: cuando la sedimentología juega un papel clave para entender las zonas con mayor riesgo de daños

Desde agosto de 2016 hasta enero de 2017, ocurrió una secuencia sísmica en los Apeninos Centrales (Italia). Durante el primer shock, dos localidades cercanas mostraron intensidades con valores lo suficientemente diferentes como para investigar la(s) causa(s): las encuestas macrosísmicas informaron una intensidad EMS de 8-9 en el viejo pueblo de Arquata del Tronto, situado a lo largo de la cresta rocosa, mientras que se registró una intensidad de 7 EMS en el barrio de Borgo, ubicado en el valle aluvial, al pie de la cresta rocosa (Primofiore et al., 2020). Los investigadores propusieron la hipótesis de que las diferencias en la topografía y la geología del subsuelo podrían explicar la variabilidad en la intensidad. Los modelos numéricos establecidos para diferentes frecuencias de movimiento del suelo respaldarían esa hipótesis (Figura 2).

 

Esta figura es el resultado de modelar ondas S en el área de la cresta de Arquata del Tronto. Cada figura muestra resultados de amplificación para ‘componentes’ de la onda perpendiculares entre sí. Los colores rojos en la imagen de la derecha muestran amplificaciones (y daños) relativamente altos con los valores de ondas modelados. Primofiore et al., 2020.

En la ciudad de Kahramanmaraş (Turquía), ciertas áreas de la ciudad tuvieron la mayoría de los edificios colapsados durante el terremoto del 6 de febrero de 2023. El área donde ocurrieron la mayoría de los colapsos es un antiguo desagüe aluvial para el drenaje de agua y sedimento de las partes altas de la montaña Ahir (Figura 3). La arquitectura sedimentaria de los abanicos aluviales sería lo suficientemente diferente de las áreas circundantes como para considerar la posibilidad de que esta observación haya sido un factor clave que pudo haber contribuido a la destrucción comparativamente mayor de edificios (ver ejemplos de la arquitectura de abanicos aluviales aquí).

La imagen de la izquierda muestra una vista satelital de la parte central de la ciudad de Kahramanmaraş con un superposición de colores estirados renderizados a partir de un modelo de elevación digital (DEM). El DEM muestra claramente que el mismo centro de la ciudad se sitúa en la desembocadura de un sistema de drenaje de la montaña Ahir. La imagen a la derecha muestra una vista satelital reciente del centro de la ciudad donde la mayoría de los edificios colapsaron.

La imagen de la izquierda muestra una vista satelital de la parte central de la ciudad de Kahramanmaraş con un superposición de colores estirados renderizados a partir de un modelo de elevación digital (DEM). El DEM muestra claramente que el mismo centro de la ciudad se sitúa en la desembocadura de un sistema de drenaje de la montaña Ahir. La imagen a la derecha muestra una vista satelital reciente del centro de la ciudad donde la mayoría de los edificios colapsaron.

La adaptación de los edificios de acuerdo a los peligros sísmicos es costosa, pero, como demuestran los terremotos de 2016 en Italia, los gobiernos podrían utilizar modelos de expertos para enfocar inversiones en ciertas áreas de ciudades y pueblos donde la adaptación sería una prioridad debido a un riesgo comparativamente alto.

Ayuda a las víctimas de los terremotos aquí: www.ifrc.org

Referencias:

Celebi, M., 1991. Amplificación topográfica y geológica: estudios de caso e implicaciones para la ingeniería. Structural Safety, 10(1-3), pp.199-217.

Primofiore, I., Baron, J., Klin, P., Laurenzano, G., Muraro, C., Capotorti, F., Amanti, M. y Vessia, G., 2020. Modelado numérico 3D para interpretar efectos topográficos en colinas rocosas para la microzonificación sísmica: el estudio de caso del barrio de Arquata del Tronto. Engineering Geology, 279, p.105868.

Semblat, J.F., Kham, M., Parara, E., Bard, P.Y., Pitilakis, K., Makra, K. y Raptakis, D., 2005. Amplificación de ondas sísmicas: geometría de la cuenca vs estratificación del suelo. Soil dynamics and earthquake engineering, 25(7-10), pp.529-538.

Semblat, J.F., 2011. Modelando la propagación y amplificación de ondas sísmicas en medios lineales y no lineales unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales. International Journal of Geomechanics, 11(6), pp.440-448.