EarthScope

USArray, gestionado por IRIS, fue un programa de 15 años para instalar una densa red de sismógrafos permanentes y portátiles en todo el territorio continental de Estados Unidos. Estos sismógrafos registraron las ondas sísmicas liberadas por los terremotos que ocurren en todo el mundo. Las ondas sísmicas son indicadores de la distribución de energía en el interior de la Tierra. Al analizar los registros de terremotos obtenidos de esta densa red de sismómetros, los científicos pudieron aprender sobre la estructura y la dinámica de la Tierra, así como sobre los procesos físicos que controlan los terremotos y los volcanes. El objetivo principal de USArray era comprender mejor la estructura y la evolución de la corteza continental , la litosfera y el manto bajo Norteamérica.

El USArray estaba compuesto por cuatro instalaciones: una matriz transportable, una matriz flexible, una red de referencia y una instalación magnetotelúrica.

Instalación magnetotelúrica

La instalación magnetotelúrica estaba compuesta por siete sensores permanentes y 20 portátiles que registraban campos electromagnéticos . Es el equivalente electromagnético de las redes sísmicas. Los sensores portátiles se desplazaban en una cuadrícula rotativa similar a la de la red transportable, pero permanecían en su lugar aproximadamente un mes antes de ser trasladados a la siguiente ubicación. Una estación magnetotelúrica consta de un magnetómetro , cuatro electrodos y una unidad de registro de datos enterrados en pozos poco profundos. Los electrodos están orientados de norte a sur y de este a oeste, y están saturados en una solución salina para mejorar la conductividad con el suelo.

El Observatorio de Límites de Placas (PBO) constaba de una serie de instrumentos geodésicos , receptores del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y extensómetros de pozo, instalados para comprender el límite entre la Placa Norteamericana y la Placa del Pacífico . La red del PBO incluía varios componentes principales: una red de 1100 estaciones GPS permanentes y de funcionamiento continuo , muchas de las cuales proporcionaban datos a alta velocidad y en tiempo real; 78 sismómetros de pozo ; 74 extensómetros de pozo; 26 inclinómetros de pozo poco profundo; y seis extensómetros láser de línea de base larga. Estos instrumentos se complementaban con imágenes InSAR ( radar de apertura sintética interferométrica ) y LiDAR ( detección y medición de luz ) y geocronología , adquiridas como parte de la iniciativa GeoEarthScope. El PBO también incluía productos de datos completos, gestión de datos y actividades de educación y divulgación. Estas redes permanentes se complementaron con un conjunto de receptores GPS portátiles que podían desplegarse para crear redes temporales para investigadores, con el fin de medir el movimiento de la corteza terrestre en un objetivo específico o en respuesta a un evento geológico. La sección del Observatorio de Límites de Placas de EarthScope fue operada por UNAVCO .

El Observatorio de la Falla de San Andrés en Profundidad (SAFOD, por sus siglas en inglés) constaba de un pozo principal que atravesaba la falla activa de San Andrés a una profundidad aproximada de 3  km y un pozo piloto situado a unos 2  km al suroeste de la falla. Los datos de los instrumentos instalados en los pozos, que incluían sensores geofónicos , sistemas de adquisición de datos y relojes GPS, así como las muestras recogidas durante la perforación, ayudaron a comprender mejor los procesos que controlan el comportamiento de la falla de San Andrés.

La tomografía es un método para producir una imagen tridimensional de las estructuras internas de un objeto sólido (como el cuerpo humano o la Tierra) mediante la observación y el registro de las diferencias en los efectos sobre el paso de las ondas de energía que inciden sobre dichas estructuras. Las ondas de energía son ondas P generadas por terremotos y se registran sus velocidades. Los datos de alta calidad recopilados por las estaciones sísmicas permanentes de USArray y el Sistema Sísmico Nacional Avanzado (ANSS) permitieron la creación de imágenes sísmicas de alta resolución del interior de la Tierra bajo Estados Unidos. La tomografía sísmica ayuda a delimitar la estructura de velocidad del manto y contribuye a la comprensión de los procesos químicos y geodinámicos que intervienen. Mediante el uso de los datos recopilados por USArray y datos globales de tiempo de viaje, se pudo crear un modelo tomográfico global de la heterogeneidad de la velocidad de las ondas P en el manto. El alcance y la resolución de esta técnica permitieron investigar diversos problemas que afectan a la litosfera del manto norteamericano, incluyendo la naturaleza de las principales estructuras tectónicas. Este método evidencia diferencias en el espesor y la anomalía de velocidad de la litosfera del manto entre el centro estable del continente y la zona más activa del oeste de Norteamérica. Estos datos son fundamentales para comprender la evolución local de la litosfera y, combinados con datos globales adicionales, permiten visualizar el manto más allá del alcance actual de USArray.

El sistema EarthScope Automated Receiver Survey (EARS) creó un prototipo que se utilizó para abordar varios elementos clave de la producción de productos EarthScope. Uno de los sistemas prototipo fue el modelo de referencia del receptor, que proporcionó el espesor de la corteza y las relaciones Vp/Vs promedio de la corteza debajo de las estaciones de la red transportable de USArray.

La función principal del Sistema Sísmico Nacional Avanzado (ANSS) y USArray era proporcionar datos de alta calidad para el monitoreo de terremotos, estudios de fuentes sísmicas e investigación de la estructura terrestre. La utilidad de los datos sísmicos aumenta considerablemente cuando se reducen los niveles de ruido y las vibraciones no deseadas; sin embargo, los sismogramas de banda ancha siempre contendrán cierto nivel de ruido. Las principales fuentes de ruido provienen de la propia instrumentación o de las vibraciones ambientales de la Tierra. Normalmente, el ruido propio del sismómetro estará muy por debajo del nivel de ruido sísmico, y cada estación tendrá un patrón de ruido característico que puede calcularse u observarse. Las fuentes de ruido sísmico dentro de la Tierra se deben a cualquiera de los siguientes factores: acciones humanas en la superficie terrestre o cerca de ella, objetos movidos por el viento cuyo movimiento se transmite al suelo, agua corriente (flujo de ríos), oleaje, actividad volcánica o inclinación de largo período debido a inestabilidades térmicas derivadas de un diseño deficiente de la estación.

El proyecto EarthScope introdujo un nuevo enfoque para los estudios de ruido sísmico, ya que no se intentó filtrar las ondas continuas para eliminar las ondas superficiales y de cuerpo de los terremotos naturales. Las señales sísmicas no suelen incluirse en el procesamiento de datos de ruido, debido a su baja probabilidad de ocurrencia, incluso a bajos niveles de potencia. Los dos objetivos de la recopilación de datos de ruido sísmico fueron proporcionar y documentar un método estándar para calcular el ruido de fondo sísmico ambiental y caracterizar la variación de los niveles de ruido de fondo sísmico ambiental en Estados Unidos en función de la geografía , la estación del año y la hora del día. El nuevo enfoque estadístico permitió calcular funciones de densidad de probabilidad (FDP) para evaluar el rango completo de ruido en una estación sísmica determinada, lo que posibilitó la estimación de los niveles de ruido en un amplio rango de frecuencias de 0,01 a 16  Hz (periodo de 100 a 0,0625 s). Con este nuevo método, resultó mucho más sencillo comparar las características del ruido sísmico entre diferentes redes en distintas regiones.

Los sismómetros de la red transportable USArray registraron el paso de numerosas ondas sísmicas por un punto determinado cerca de la superficie terrestre. Clásicamente, estos sismogramas se analizan para deducir propiedades de la estructura terrestre y la fuente sísmica . Con un conjunto de registros sísmicos espacialmente denso, estas señales también podrían utilizarse para visualizar las ondas sísmicas continuas, lo que proporcionaría nuevas perspectivas y técnicas de interpretación sobre los complejos efectos de la propagación de ondas. Utilizando las señales registradas por la red de sismómetros, el proyecto EarthScope animó las ondas sísmicas a medida que se propagaban por la red transportable USArray para terremotos de mayor magnitud. Esto ilustró los fenómenos de propagación de ondas regionales y telesísmicas. Los datos sísmicos recopilados tanto de estaciones sísmicas permanentes como transportables se utilizaron para generar estas animaciones por computadora.

El tensor de momento sísmico es uno de los parámetros fundamentales de los terremotos que se pueden determinar a partir de observaciones sísmicas. Está directamente relacionado con la orientación de la falla sísmica y la dirección de la ruptura. La magnitud de momento , Mw, derivada de la magnitud del tensor de momento, es la cantidad más confiable para comparar y medir el tamaño de un terremoto con otras magnitudes sísmicas. Los tensores de momento se utilizan en una amplia gama de campos de investigación sismológica, como la estadística de terremotos, las relaciones de escalamiento de terremotos y la inversión de esfuerzos. La creación de soluciones regionales del tensor de momento, con el software apropiado, para terremotos de magnitud moderada a grande en los EE. UU. provino de la red transportable USArray y las estaciones sísmicas de banda ancha del Sistema Nacional Avanzado de Sistemas Sísmicos. Los resultados se obtuvieron en el dominio del tiempo y de la frecuencia. Se proporcionaron figuras de ajuste de forma de onda y coincidencia de amplitud-fase para permitir a los usuarios evaluar la calidad del tensor de momento.

Los equipos y técnicas del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) brindan una oportunidad única para que los geocientíficos estudien los movimientos regionales y locales de las placas tectónicas y realicen el monitoreo de riesgos naturales. Las soluciones de red depuradas de varias redes GPS se fusionaron en clústeres regionales en conjunto con el proyecto EarthScope. Estas redes incluían la Red Geodésica del Noroeste del Pacífico, el Observatorio de Límites de Placas de EarthScope, la Red de Deformación del Oeste de Canadá y redes operadas por el Servicio Geológico de los Estados Unidos. Las mediciones diarias de GPS de aproximadamente 1500 estaciones a lo largo del límite de las placas del Pacífico/Norteamérica proporcionaron una precisión a escala milimétrica y pudieron utilizarse para monitorear los desplazamientos de la corteza terrestre. Mediante el uso de software de modelado de datos y los datos GPS registrados, fue posible cuantificar la deformación cortical causada por la tectónica de placas , terremotos, deslizamientos de tierra y erupciones volcánicas.

El objetivo era proporcionar modelos de deformación dependiente del tiempo asociados a varios terremotos recientes y otros eventos geológicos, con restricciones basadas en datos GPS. Mediante el uso de InSAR (Radar de Apertura Sintética Interferométrica), una técnica de teledetección, y PBO (Observatorio de Límites de Placas), una red fija de receptores GPS y extensómetros, el proyecto EarthScope proporcionó mediciones de deformación espacialmente continuas en amplias áreas geográficas con una resolución de decímetros a centímetros.

El Mapa Global de Tasas de Deformación (GSRM, por sus siglas en inglés) es un proyecto del Programa Internacional de la Litosfera cuya misión es determinar un modelo global autoconsistente de tasa de deformación y campo de velocidad, consistente con las observaciones geodésicas y geológicas de campo recopiladas mediante GPS, sismómetros y extensómetros. GSRM es un modelo digital del campo tensorial del gradiente de velocidad global asociado con la acomodación de los movimientos corticales actuales. La misión general también incluye: (1) contribuciones de modelos globales, regionales y locales por parte de investigadores individuales; (2) archivar conjuntos de datos existentes de información geológica, geodésica y sísmica que puedan contribuir a una mayor comprensión de los fenómenos de deformación; y (3) archivar métodos existentes para modelar tasas de deformación y transitorios de deformación. Un mapa global de tasas de deformación completo proporcionó una gran cantidad de información que contribuirá a la comprensión de la dinámica continental y a la cuantificación de los riesgos sísmicos.

Los márgenes convergentes, también conocidos como límites convergentes , son regiones activas de deformación entre dos o más placas tectónicas que colisionan. Estos márgenes generan zonas de elevación tectónica , como cordilleras o volcanes. El proyecto EarthScope se centró en el límite entre la placa del Pacífico y la placa norteamericana en el oeste de Estados Unidos. EarthScope proporcionó datos geodésicos GPS, imágenes sísmicas, sismicidad detallada, datos magnetotelúricos, InSAR , mapas de campos de esfuerzos, modelos digitales de elevación , geología de referencia y paleosismología para una mejor comprensión de los procesos de los márgenes convergentes.

Algunas de las preguntas que EarthScope abordó incluyen:

• ¿Qué factores controlan la arquitectura litosférica?
• ¿Qué factores controlan la localización del vulcanismo?
• ¿Cómo contribuyen los procesos de márgenes convergentes al crecimiento del continente a lo largo del tiempo?

La deformación de la corteza terrestre es el cambio en la forma y el volumen de la corteza continental y oceánica causado por la tensión aplicada a las rocas mediante fuerzas tectónicas. Diversas variables, como la composición, la temperatura y la presión, determinan cómo se deformará la corteza.

Algunas de las preguntas que EarthScope abordó incluyen:

• ¿Cómo varían la reología de la corteza y el manto según el tipo de roca y la profundidad?
• ¿Cómo cambia la reología litosférica en las proximidades de una zona de falla?
• ¿Cuál es la distribución de las tensiones en la litosfera?

La deformación continental es impulsada por la interacción de placas a través de procesos tectónicos activos, como los sistemas transformantes continentales con regímenes extensionales, de deslizamiento lateral y compresivos. EarthScope proporcionó datos de campos de velocidad, datos GPS portátiles y continuos, perforación y muestreo de zonas de falla, sismología de reflexión, sismicidad moderna, sismicidad preholocena y datos magnetotelúricos y de campos potenciales para una mejor comprensión de la deformación continental.

Algunas de las preguntas que EarthScope abordó incluyen:

• ¿Cuáles son los factores fundamentales que controlan la deformación del continente?
• ¿Cuál es el perfil o los perfiles de resistencia de la litosfera?
• ¿Qué define los regímenes tectónicos dentro del continente?

Los continentes terrestres presentan una composición distinta a la de la corteza oceánica. Los continentes registran cuatro mil millones de años de historia geológica, mientras que la corteza oceánica se recicla aproximadamente cada 180  millones de años. Gracias a la antigüedad de las cortezas continentales, es posible estudiar la evolución estructural antigua de los continentes. Se utilizaron datos de EarthScope para determinar la estructura sísmica media de la corteza continental, el manto asociado y la transición corteza-manto. También se estudió la variabilidad de dicha estructura. EarthScope buscó definir la formación de la litosfera continental y la estructura de los continentes, así como identificar la relación entre la estructura continental y la deformación.

Algunas de las preguntas que EarthScope abordó incluyen:

• ¿Cómo modifica, agranda y deforma el magmatismo la litosfera continental?
• ¿Qué relación existe entre la corteza y el manto litosférico?
• ¿Cuál es el papel de la extensión, el colapso orogénico y la formación de fallas en la construcción de los continentes?

EarthScope adquirió datos 3D y 4D que proporcionaron a los científicos una visión más detallada de las fallas y los terremotos que nunca antes. Este proyecto supuso una actualización de datos muy necesaria con respecto al trabajo realizado en años anteriores gracias a numerosos avances tecnológicos. Los nuevos datos permitieron un mejor estudio y comprensión de las fallas y los terremotos, lo que aumentó nuestro conocimiento del proceso sísmico completo y permitió el desarrollo continuo de modelos predictivos de construcción. Se puso a disposición información detallada sobre la arquitectura interna de las zonas de falla, la estructura de la corteza y el manto superior, las tasas de deformación y las transiciones entre sistemas de fallas y tipos de deformación; así como datos de flujo de calor, electromagnéticos/magnetotelúricos y de formas de onda sísmicas.

Algunas de las preguntas que EarthScope abordó incluyen:

• ¿Cómo se acumula y se libera la tensión en los límites de las placas y dentro de la placa norteamericana?
• ¿Cómo se originan, se desarrollan y se detienen los terremotos?
• ¿Cuál es la resistencia absoluta de las fallas y de la litosfera circundante?

Mediante la sismología, los científicos pudieron recopilar y evaluar datos de las partes más profundas de nuestro planeta, desde la litosfera continental hasta el núcleo. La relación entre los procesos litosféricos y del manto superior aún no se comprende completamente, incluyendo los procesos del manto superior bajo Estados Unidos y sus efectos en la litosfera continental. Existen muchos aspectos de interés, como determinar el origen de las fuerzas que se originan en el manto superior y sus efectos en la litosfera continental. Los datos sísmicos proporcionaron a los científicos una mayor comprensión del manto inferior y del núcleo terrestre, así como de la actividad en el límite entre el núcleo y el manto .

Algunas de las preguntas que EarthScope esperaba que respondiera incluían:

• ¿Cómo se relaciona la evolución de los continentes con los procesos que tienen lugar en el manto superior?
• ¿Cuál es el grado de heterogeneidad en el manto medio?
• ¿Cuál es la naturaleza y la heterogeneidad del manto inferior y del límite entre el núcleo y el manto?

El proyecto EarthScope buscaba comprender mejor la física de los fluidos y magmas en sistemas volcánicos activos en relación con las profundidades terrestres, así como la relación entre la evolución de la litosfera continental y los procesos del manto superior . Si bien se conoce el mecanismo básico de formación de los distintos magmas, se desconocen los volúmenes y las tasas de producción de magma fuera de los basaltos de las dorsales oceánicas . EarthScope proporcionó datos sísmicos e imágenes tomográficas del manto para comprender mejor estos procesos.

Algunas de las preguntas que EarthScope abordó incluyen:

• ¿En qué escalas temporales y espaciales se relacionan la deformación sísmica y las erupciones volcánicas?
• ¿Qué factores controlan el estilo de erupción?
• ¿Cuáles son los indicios que permiten predecir una erupción volcánica inminente? ¿Cuáles son los factores estructurales, reológicos y químicos que controlan el flujo de fluidos en la corteza terrestre?

"Utilizar los datos, productos y resultados de EarthScope para generar un cambio medible y duradero en la forma en que se enseña y se percibe la ciencia de la Tierra en los Estados Unidos."

• Crear una identidad pública de gran repercusión para EarthScope que destaque la naturaleza integrada de los descubrimientos científicos y la importancia de las iniciativas de investigación de EarthScope.
• Fomentar un sentimiento de pertenencia entre las comunidades científicas, profesionales y educativas, así como entre el público en general, para que un grupo diverso de personas y organizaciones puedan contribuir a EarthScope.
• Promover la alfabetización científica y la comprensión de EarthScope entre todos los públicos a través de canales de educación informal.
• Impulsar la enseñanza formal de las ciencias de la Tierra mediante la promoción de investigaciones en el aula basadas en la indagación, centradas en la comprensión de la Tierra y la naturaleza interdisciplinaria de EarthScope.
• Fomentar el uso de los datos, los descubrimientos y las nuevas tecnologías de EarthScope para resolver problemas complejos y mejorar nuestra calidad de vida.

El programa de educación y divulgación desarrolló herramientas para que educadores y estudiantes de todo Estados Unidos interpretaran y aplicaran esta información para resolver una amplia gama de problemas científicos en el ámbito de las ciencias de la Tierra. El proyecto adaptó sus productos a las necesidades y solicitudes específicas de los educadores.

El carácter multidisciplinario de EarthScope contribuyó a crear redes de colaboración más sólidas entre geólogos de todo tipo y de todo el país. La construcción de un modelo terrestre de esta magnitud requirió un esfuerzo comunitario complejo, y este modelo constituye en gran medida el primer legado de EarthScope. Los investigadores que analizaron los datos nos brindaron una mayor comprensión científica de los recursos geológicos de la Gran Cuenca y de la evolución del límite de placas en la costa oeste de Norteamérica. Otro legado geológico deseado por la iniciativa fue revitalizar la comunidad de ciencias de la Tierra. Esta revitalización se retroalimenta, como lo demuestra la participación de miles de organizaciones de todo el mundo y de estudiantes e investigadores de todos los niveles. Esto conlleva una mayor concienciación entre el público en general, incluyendo a la próxima generación de futuros científicos de la Tierra. Con la evolución del proyecto EarthScope, surgieron oportunidades para crear nuevos observatorios con mayores capacidades, como la extensión de la USArray sobre el Golfo de México y el Golfo de California . Las herramientas y los observatorios de EarthScope tienen un gran potencial para ser utilizados por universidades y geólogos profesionales, incluso después de su retirada . Estas herramientas incluyen el equipo físico, el software inventado para analizar los datos y otros productos educativos y de datos iniciados o inspirados por EarthScope.

La ciencia generada por EarthScope y los investigadores que utilizan sus datos ayudan a orientar a los legisladores en materia de política ambiental, identificación de riesgos y, en última instancia, financiación federal para proyectos de mayor envergadura como este. Además de las tres dimensiones físicas de la estructura de Norteamérica, se está describiendo una cuarta dimensión del continente mediante la geocronología, utilizando datos de EarthScope. Una mejor comprensión de la historia geológica del continente permitirá a las futuras generaciones gestionar y utilizar de forma más eficiente los recursos geológicos y convivir con los riesgos geológicos . Las leyes de política ambiental han sido objeto de controversia desde la colonización europea de Norteamérica. En concreto, los derechos sobre el agua y los minerales han sido el foco de la disputa. Los representantes en Washington D.C. y en las capitales estatales necesitan la orientación de la ciencia autorizada para elaborar las leyes ambientales más sólidas para nuestro país. La comunidad de investigación de EarthScope estaba en condiciones de proporcionar al gobierno la orientación más fiable en materia de política ambiental.

La identificación de riesgos con EarthScope es una aplicación que ya se utiliza. De hecho, la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA) ha otorgado fondos al Servicio Geológico de Arizona y a sus universidades asociadas para la adopción y el mantenimiento de ocho estaciones de la Red Transportable. Estas estaciones se utilizarán para actualizar la evaluación del riesgo sísmico de Arizona.

Para que EarthScope alcance su máximo potencial en las ciencias de la Tierra , es fundamental seguir fortaleciendo los vínculos entre la investigación y las comunidades educativas y de divulgación. Una mayor difusión pública a museos, el Sistema de Parques Nacionales y escuelas públicas garantizará el fomento de estas conexiones innovadoras. La colaboración con medios de comunicación nacionales de gran prestigio, como Discovery Channel , Science Channel y National Geographic, podría asegurar un legado perdurable en la conciencia social mundial. Las ciencias de la Tierra ya se han consolidado como una disciplina moderna vital, especialmente en la cultura ecologista actual, a la que EarthScope contribuye. La magnitud del proyecto EarthScope incrementa la creciente conciencia pública sobre la estructura del planeta que habitamos.

Dado que IRIS y UNAVCO operaban los componentes de sismología y geodesia de la instrumentación en la que se basaba el proyecto, cuando estas dos organizaciones se fusionaron en 2023 ^{[ 3 ]} adoptaron el nombre de EarthScope Consortium para representar la visión compartida de la nueva organización.