Ondas S en Geología: definición y ejemplos

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Cuando un terremoto sacude una ciudad, la energía liberada viaja en forma de ondas sísmicas. De todos los tipos de ondas, las ondas S (secundarias, cortantes o transversales) son las que causan daños estructurales severos, pero también las que han permitido a los geólogos descubrir algo fascinante: el núcleo externo de la Tierra es líquido.

¿Cómo? Porque las ondas S no pueden propagarse a través de fluidos. En este artículo aprenderás su definición exacta, sus propiedades físicas, cómo se comportan en distintos materiales y ejemplos reales de su aplicación en exploración geológica y sismología.

Definición técnica y concepto básico de las ondas S

En geología y sismología, las ondas S (del inglés Shear waves) son un tipo de onda elástica secundaria que se genera durante un sismo o una explosión controlada. Se caracterizan por mover las partículas del medio perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Por eso se llaman transversales o cortantes: producen un esfuerzo de cizalla (corte) en el material que atraviesan.

Diferencia clave con las ondas P

• Ondas P (primarias): compresionales, mueven partículas en la misma dirección de avance. Viajan por sólidos, líquidos y gases.
• Ondas S: transversales, solo viajan por sólidos con rigidez suficiente. No se propagan en fluidos (agua, magma, núcleo externo líquido).

La velocidad de las ondas S es menor que la de las ondas P (aproximadamente un 58% de la velocidad de las ondas P en el mismo medio). Por eso en un sismograma aparecen después de las ondas P: de ahí el nombre secundarias.

Fórmula simplificada de velocidad

La velocidad de una onda S ($v_s$​) depende del módulo de rigidez ($\mu$) y la densidad ($\rho$) del medio:$$v_s=\sqrt{\frac{\mu }{\rho }}$$​​

Donde $\mu$ es la resistencia del material a la deformación por cizalla. Si el material es fluido ($\mu =0$), la velocidad es cero → la onda no avanza.

Propiedades físicas que condicionan su comportamiento

Para entender por qué las ondas S son tan útiles en geología, hay que conocer sus propiedades fundamentales:

Polarización

Las ondas S tienen dos modos de polarización:

• SV (vertical): movimiento perpendicular a la dirección de propagación dentro del plano vertical.
• SH (horizontal): movimiento perpendicular dentro del plano horizontal.

Esta propiedad permite a los geofísicos determinar la orientación de fracturas y esfuerzos en el subsuelo mediante análisis de anisotropía sísmica.

Atenuación y dispersión

Las ondas S se atenúan (pierden energía) más rápido que las ondas P en materiales parcialmente saturados o con alta porosidad. En rocas duras y cristalinas, pueden viajar cientos de kilómetros. En sedimentos blandos, su amplitud disminuye drásticamente.

Reflexión y refracción

Al encontrar un cambio de densidad o rigidez, las ondas S se reflejan y refractan. La zona de sombra de ondas S (entre 103° y 143° de distancia epicentral) fue la prueba definitiva de que el núcleo externo es líquido: las ondas S no llegan a estaciones sísmicas más allá de 103° porque el núcleo líquido las bloquea por completo.

Generación y registro de ondas S en sismología

Las ondas S no se producen solas. Durante un terremoto:

1. La ruptura de la falla genera ondas P y S simultáneamente.
2. Las ondas P, más rápidas, llegan primero a los sismógrafos.
3. Las ondas S llegan después, con mayor amplitud y duración.

Ejemplo práctico: cálculo de distancia epicentral

Si conoces el tiempo de llegada de la onda P ($t_p$​) y el de la onda S ($t_s$​), y sabes que $v_p\approx 6km\mathrm{/}s$ y $v_s\approx 3.5km\mathrm{/}s$ en la corteza superior, la distancia al epicentro ($d$) es aproximadamente:$$d=(t_s-t_p)\times \frac{v_p\cdot v_s}{v_p-v_s}$$​​

Los sismólogos usan esta fórmula básica para localizar terremotos.

Ejemplos geológicos fundamentales gracias a las ondas S

Descubrimiento del núcleo externo líquido (1914)

El sismólogo Beno Gutenberg observó que las ondas S no aparecían en sismogramas de terremotos registrados a más de 103° del epicentro. La única explicación: había una región central donde las ondas S no podían viajar. Era el núcleo externo, compuesto por hierro y níquel fundidos. Este hallazgo revolucionó la geología.

Estructura del manto superior y la litosfera

Las variaciones en la velocidad de las ondas S permitieron mapear la zona de baja velocidad (LVZ) entre 70 y 200 km de profundidad, que corresponde a la astenosfera parcialmente fundida. La litosfera rígida (corteza + manto superior frío) tiene altas velocidades de ondas S; la astenosfera caliente las reduce.

Detección de fallas activas en ingeniería geológica

Métodos como Vibroseis o microtremores generan ondas S controladas para mapear fallas cercanas a ciudades. Por ejemplo, la falla de San Andrés se ha estudiado extensamente con perfiles de ondas S para determinar su geometría en profundidad.

Exploración de hidrocarburos (sísmica de reflexión SH)

Aunque la sísmica de reflexión usa principalmente ondas P, las ondas S (especialmente SH) ayudan a identificar:

• Gas en sedimentos: las ondas S no son afectadas por fluidos del mismo modo que las P; comparando ambas se obtiene la relación $v_p\mathrm{/}{v}_s$​, que indica litología y saturación de fluidos.
• Fracturas naturalmente cerradas: la anisotropía de ondas S revela direcciones de fractura, clave para la extracción de gas de esquisto.

Evaluación de riesgos sísmicos en edificios

Las ondas S de período largo (0.5–2 segundos) son especialmente dañinas para edificios de 5 a 20 pisos por resonancia. Los ingenieros geotécnicos miden la velocidad de ondas S en el subsuelo para clasificar el tipo de suelo (clases A a E según códigos sísmicos como el UBC o Eurocódigo 8).

Diferencias entre ondas S, ondas P y ondas superficiales

Aplicaciones modernas en geofísica de exploración

Tomografía de ondas S

Similar a una tomografía médica, se usan cientos de sismogramas para reconstruir la velocidad de ondas S en 3D en el interior terrestre. Esto ha revelado superplumas del manto y restos de losas oceánicas hundidas.

Relación $v_p\mathrm{/}{v}_s$​ para identificar rocas

• Basalto: $v_p\mathrm{/}{v}_s\approx 1.70$ a 1.75
• Granito: $\approx 1.80$ a 1.85
• Arenisca saturada de agua: $\approx 2.0$ a 2.2
• Arenisca con gas: $\approx 1.5$ a 1.7 (bajísimo)

Esta relación es un indicador directo de porosidad y tipo de fluido, usado en la industria petrolera.

Monitoreo de inyección de CO₂

En proyectos de captura y almacenamiento de carbono, las ondas S detectan cambios de rigidez en el acuífero salino cuando se inyecta CO₂ supercrítico.

Limitaciones y desafíos en el uso de ondas S

• No viajan en fluidos: imposible usarlas en exploración marina convencional (requieren geófonos en el fondo marino).
• Atenuación rápida en sedimentos no consolidados: difíciles de registrar a profundidades > 2 km sin fuentes energéticas especiales.
• Necesitan fuentes específicas: los cañones de aire (marinos) no generan buenas ondas S. En tierra se usan martillos oscilantes o explosivos acoplados al suelo.

Ejemplo real de estudio de caso

Caso: Terremoto de Loma Prieta (1989), California
Este sismo (Mw 6.9) generó fuertes ondas S con período cercano a 1 segundo. Los edificios de la zona de Marina en San Francisco, construidos sobre relleno hidráulico (baja velocidad de ondas S, ≈150 m/s), amplificaron el movimiento hasta 3 veces más que las rocas circundantes. El análisis posterior de ondas S permitió modificar los códigos de construcción exigiendo estudios de velocidad de onda cortante (Vs30) para cada sitio.

Resultados de aprendizaje

Al finalizar la lectura, el estudiante será capaz de:

1. Definir con precisión qué es una onda S en geología y diferenciarla de una onda P en cuanto a tipo de movimiento, medios de propagación y velocidad.
2. Explicar por qué las ondas S no viajan a través de fluidos y cómo esta propiedad permitió descubrir el núcleo externo líquido.
3. Calcular la distancia epicentral utilizando la diferencia de tiempos de llegada entre ondas P y S.
4. Identificar al menos tres aplicaciones prácticas de las ondas S: exploración de hidrocarburos, evaluación de riesgo sísmico y tomografía del manto terrestre.
5. Interpretar la relación vp/vsvp​/vs​ para diferenciar rocas y detectar presencia de gas o agua en el subsuelo.
6. Reconocer la zona de sombra de ondas S en un sismograma global y asociarla a la estructura interna de la Tierra.
7. Valorar la importancia de las ondas S en ingeniería geotécnica (clasificación de sitios Vs30) y en la prevención de desastres sísmicos.

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