Rumshake: Amplification of earthquake ground motion in Mayagüez, Puerto Rico

Abstract

Puerto Rico is a seismically active region with a history of destructive earthquakes such as the 1918 M7.3 Mona Passage event, and more recently, the 2020 Southwest Puerto Rico Earthquake sequence. In the years 2018 and 2019, The Puerto Rico Seismic Network detected over 4,000 and 6,000 earthquakes, respectively. Given the seismic hazard presented by this earthquake activity, it is imperative to assess the seismic wave amplification at specific frequencies caused by local unconsolidated sediments. As part of understanding the hazards, a site response study was conducted in the city of Mayagüez, western Puerto Rico, by the Puerto Rico Seismic Network and the Puerto Rico Strong Motion Program, in collaboration with the United States Geological Survey, to investigate the potential for seismic amplification by soils in Mayagüez. During a period of six months, from April to October 2019, twelve L-22 sensor stations were deployed in different sites in the city to record local, regional earthquakes, and teleseism data to determine site-amplification factors. Fifteen real, local earthquakes, in addition to five regional earthquakes and teleseisms, were used for analysis. Data were analyzed using spectral ratios of sediment sites relative to three bedrock sites. Results show strong amplifications, with peaks reaching values of 10 at some sites in the 0.5 to 5 Hz frequency range. The frequency and amplitude of the resonance peaks are consistent with soft soils over bedrock, which is a common situation on the island of Puerto Rico. Results indicate that Mayagüez, and likely other coastal cities in Puerto Rico, may be subjected to strongly amplified ground motion during earthquakes.

Puerto Rico es una zona sísmica con un historial de terremotos destructivos como el del 11 de octubre de 1918 en el Pasaje de la Mona de magnitud 7.3 y, más recientemente, la secuencia de terremotos del 2020 en el suroeste de Puerto Rico. Durante los años 2018 y 2019, la Red Sísmica de Puerto Rico detectó más de 4,000 y 6,000 terremotos, respectivamente. Dado el peligro sísmico que presenta esta actividad telúrica, es importante evaluar la amplificación de las ondas sísmicas a frecuencias específicas causadas por los sedimentos locales no consolidados. Como parte de una evaluación de riesgo, la Red Sísmica de Puerto Rico y el Programa de Movimiento Fuerte de Puerto Rico, en colaboración con el Servicio Geológico de los Estados Unidos, realizó un estudio de respuesta de sitio en la ciudad de Mayagüez, localizada en el oeste de Puerto Rico, para investigar la posibilidad de amplificación sísmica por los suelos de Mayagüez. Durante un período de seis meses, de abril a octubre del 2019, se instalaron doce estaciones de sensores L-22 en diferentes lugares de la ciudad para registrar datos de temblores locales, regionales y lejanos; y determinar los factores de amplificación de cada sitio. Para el análisis se utilizaron 15 terremotos locales además de cinco terremotos regionales y telesismos. Los datos se analizaron comparando las relaciones espectrales de los sitios de sedimento a tres sitios de referencia. Los resultados muestran fuertes amplificaciones, con picos que alcanzan valores de 10 en algunos sitios en el rango de frecuencia de 0.5 a 5.0 Hz. La frecuencia y amplitud de los picos de resonancia son consistentes con suelos blandos sobre las rocas firmes, lo cual es una situación común en la isla de Puerto Rico. Los resultados indican que Mayagüez, y probablemente otras ciudades costeras de Puerto Rico, pueden estar sometidas a un movimiento de tierra fuertemente amplificado durante los terremotos.