Ages and relative sizes of pre-2004 tsunamis in the Bay of Bengal inferred from geologic evidence in the Andaman and Nicobar Islands

Geologic evidence along the northern part of the 2004 Aceh-Andaman rupture suggests that this region generated as many as five tsunamis in the prior 2000years. We identify this evidence by drawing analogy with geologic records of land-level change and the tsunami in 2004 from the Andaman and Nicobar Islands (A&N). These analogs include subsided mangrove swamps, uplifted coral terraces, liquefaction, and organic soils coated by sand and coral rubble. The pre-2004 evidence varies in potency, and materials dated provide limiting ages on inferred tsunamis. The earliest tsunamis occurred between the second and sixth centuries A.D., evidenced by coral debris of the southern Car Nicobar Island. A subsequent tsunami, probably in the range A.D. 770-1040, is inferred from deposits both in A&N and on the Indian subcontinent. It is the strongest candidate for a 2004-caliber earthquake in the past 2000years. A&N also contain tsunami deposits from A.D. 1250 to 1450 that probably match those previously reported from Sumatra and Thailand, and which likely date to the 1390s or 1450s if correlated with well-dated coral uplift offshore Sumatra. Thus, age data from A&N suggest that within the uncertainties in estimating relative sizes of paleo-earthquakes and tsunamis, the 1000year interval can be divided in half by the earthquake or earthquakes of A.D. 1250-1450 of magnitude >8.0 and consequent tsunamis. Unlike the transoceanic tsunamis generated by full or partial rupture of the subduction interface, the A&N geology further provides evidence for the smaller-sized historical tsunamis of 1762 and 1881, which may have been damaging locally.

Tsunamis - a model of their generation and propagation

A general solution is presented for water waves generated by an arbitrary movement of the bed (in space and time) in a two-dimensional fluid domain with a uniform depth. The integral solution which is developed is based on a linearized approximation to the complete (nonlinear) set of governing equations. The general solution is evaluated for the specific case of a uniform upthrust or downthrow of a block section of the bed; two time-displacement histories of the bed movement are considered.

An integral solution (based on a linear theory) is also developed for a three-dimensional fluid domain of uniform depth for a class of bed movements which are axially symmetric. The integral solution is evaluated for the specific case of a block upthrust or downthrow of a section of the bed, circular in planform, with a time-displacement history identical to one of the motions used in the two-dimensional model.

Since the linear solutions are developed from a linearized approximation of the complete nonlinear description of wave behavior, the applicability of these solutions is investigated. Two types of non-linear effects are found which limit the applicability of the linear theory: (1) large nonlinear effects which occur in the region of generation during the bed movement, and (2) the gradual growth of nonlinear effects during wave propagation.

A model of wave behavior, which includes, in an approximate manner, both linear and nonlinear effects is presented for computing wave profiles after the linear theory has become invalid due to the growth of nonlinearities during wave propagation.

An experimental program has been conducted to confirm both the linear model for the two-dimensional fluid domain and the strategy suggested for determining wave profiles during propagation after the linear theory becomes invalid. The effect of a more general time-displacement history of the moving bed than those employed in the theoretical models is also investigated experimentally.

The linear theory is found to accurately approximate the wave behavior in the region of generation whenever the total displacement of the bed is much less than the water depth. Curves are developed and confirmed by the experiments which predict gross features of the lead wave propagating from the region of generation once the values of certain nondimensional parameters (which characterize the generation process) are known. For example, the maximum amplitude of the lead wave propagating from the region of generation has been found to never exceed approximately one-half of the total bed displacement. The gross features of the tsunami resulting from the Alaskan earthquake of 27 March 1964 can be estimated from the results of this study.

Estudio de las ecuaciones de Boussinesq para la modelización de tsunamis

[es]Podemos encontrar las ecuaciones de Boussinesq en la descripción de playas, rios y lagos. Estas ecuaciones estudian la dinámica de las aguas poco profundas como las ecuaciones “ Korteweg-deVries (KdV)". Sin embargo, a pesar de ser más conocidas, las ecuaciones de KdV, no son capaces de modelar olas solitarias propagándose en distintas direcciones. Entre muchas otras aplicaciones de las ecuaciones de Boussinesq destaca la de modelar olas de tsunamis. Estos tipos de olas ya son perfectamente descritos por las ecuaciones de Navier Stokes, pero todavía no existen técnicas que permitan resolverlas en un dominio tridimensional. Para ello se usan las ecuaciones de Boussinesq, pensadas como una simplificación de las ecuaciones de Navier Stokes. Los años 1871 y 1872 fueron muy importantes para el desarrollo de las ecuaciones de Boussinesq. Fue en 1871 cuando Valentin Joseph Boussinesq recibió el premio de la “Academy of Sciences”, por su trabajo dedicado a las aguas poco profundas. Ahí fue donde Boussinesq introdujo por primera vez los efectos dispersivos en las ecuaciones de Saint-Venant. Por ello, se puede decir que las ecuaciones de Boussinesq son más completas físicamente que las ecuaciones de Saint-Venant. Las ecuaciones de Boussinesq contienen una estructura hiperbólica (al igual que las ecuaciones no lineales de aguas poco profundas) combinada con derivadas de orden elevado para modelar la dispersión de la ola. Las ecuaciones de Boussinesq pueden aparecer de muchas formas distintas. Dependiendo de como hayamos escogido la variable de la velocidad podemos obtener un modelo u otro. El caso más usual es escoger la variable velocidad en un nivel del agua arbitrario. La efectividad de la ecuación de Boussinesq seleccionada variará dependiendo de la dispersión. Una buena elección de la variable velocidad puede mejorar significativamente la modelización de la propagación de ondas largas. Formalmente, como veremos en el capítulo 1, podemos transformar términos de orden elevado en términos de menor orden usando las relaciones asintóticas. Esto nos proporciona una forma elegante de mejorar las relaciones de dispersi\'on. Las ecuaciones de Boussinesq más conocidas son las que resolveremos en el capítulo 2. En dicho capítulo veremos la ecuación cúbica de Boussinesq, que sirve para describir el movimiento de ondas largas en aguas poco profundas; las ecuaciones de Boussinesq acopladas, que describen el movimiento de dos fluidos distintos en aguas poco profundas (como puede ser el caso de un barco que desprende accidentalmente aceite, el aceite va creando una capa que flota encima de la superficie del agua); la ecuación de Boussinesq estándar, que describe un gran número de fenómenos de olas dispersivas no lineales como la propagaci\ón en ambas direcciones de olas largas en la superficie de aguas poco profundas. Pero en olas de longitud de onda corta presenta una inestabilidad y la ecuación es incorrecta para el problema de Cauchy, por ello Bogolubsky propuso la ecuación de Boussinesq mejorada. Esta ecuación es la última que estudiaremos en el capítulo 2 y es una ecuación físicamente estable, correcta para el problema de Cauchy y además como veremos en el capítulo 3, apropiada para las simulaciones numéricas. Como ya indicado, en el capi tulo 1 deduciremos las ecuaciones de Boussinesq a partir de las ecuaciones físicas del flujo potencial. El objetivo principal es deducir dos modelos de ecuaciones de Boussinesq acopladas y obtener su relación de dispersión. Para llegar a ello, se usa un método de la expansión asintótica de la velocidad potencial en términos de un pequeño parámetro. De esta manera conseguimos dos modelos distintos, cada uno asociado a uno de los dos modelo de disipación que hemos establecido. Por último dado que las ecuaciones siempre vienen dadas en variables dimensionales, volveremos a la notación dimensional para analizar la relación de dispersión de las ecuaciones de Boussinesq disipativas. En el capí tulo 2 pasaremos a su resolución analítica, buscando soluciones de tipo solitón. Introduciremos el método de la tangente hiperbólica, muy útil para encontrar soluciones exactas de ecuaciones no lineales. Usaremos este método para resolver la ecuación cúbica de Boussinesq, un sistema de ecuaciones acopladas de Boussinesq, la ecuación estandar de Boussinesq y la mejorada. Los sistemas que aparecen en la aplicación del método de la tangente hiperbólica estan resueltos usando el software Mathematica y uno de ellos irá incluido en el apéndice A. En el capíulo 3 se introduce un esquema en diferencias finitas, que sirve para convertir problemas de ecuaciones diferenciales en problemas algebraicos fácilmente resolubles numéricamente. Este método nos ayudaráa estudiar la estabilidad y a resolver la ecuación mejorada de Boussinesq numéricamente en dos ejemplos distintos. En el apéndice B incluiremos el programa para la resolución numérica del primer ejemplo con el Mathematica.

Güímar and La Orotava mega-landslides (Tenerife) and tsunamis deposits in Canary Islands

More than 20 mega-landslides have been described in the Canary Islands affecting the flanks of the volcanic edifices. Gliimar and La Orotava landslides, in Tenerife, are two exceptional cases due to their huge dimensions and outstanding geomorphological features. The estimated volume of these landslides exceed tens of cubic km. Tsunami deposits have been also identified in some of the islands of the archipelago probably associated to the large landslides of the islands flanks. An investigation has been carried out to explain the causes of these large instability processes and their failure mechanisms. One of the main aspects investigated was the geomechanical characteristics of the volcanic rock masses, specially the hyaloclastite rocks forming the substratum underlying the emerged volcanic building. The low strength and high deformability properties of these rocks have played a fundamental role on the stability of the island flanks. The results have shown the gravitational origin of these instability processes as the main failure mechanism. Volcanic eruptions or large earthquakes could be contributing factors to the instability, but according with the data obtained in Gliimar and La Orotava cases they are not necessary as triggering factors. As a result of the field work carried out in the frame of the project, three large tsunami deposits have been identified in the islands of Lanzarote, Tenerifc and Gran Canaria attributed to rnega-Iandslides, possibly related to Guimar and La Orotava. A Sumrnary of their main features is described.

Consideraciones y recomendaciones para el diseño de estructuras bajo amenaza de tsunamis

La visión del riesgo es muy importante a la hora de diseñar y construir estructuras. Sobre todo en presencia de catástrofes naturales. Esta tesis presenta las consideraciones y recomendaciones a tener en cuenta para proyectar estructuras en zonas con riesgo de tsunami, tras haber estudiado todos los riesgos y soluciones posibles mediante tres técnicas diferentes. Esto se ha obtenido aplicando el método LOGRO (Líder de Organización de Gestión de Riesgos y Oportunidades). Se puede pensar que la única solución posible ante esta catástrofe es no construir en zonas vulnerables, pero no es posible. Hay que tener en cuenta que no todos los tsunamis son de la misma magnitud e intensidad y este trabajo contempla todos ellos con distintos niveles de actuación para cada situación. Por otro lado, existen lugares costeros muy urbanizados en los que sería imposible fomentar la emigración, y zonas turísticas donde lo que prima es la cercanía a la costa. Las resultados obtenidos de esta investigación tienen como objetivo reducir el riesgo vinculado al tsunami, minimizando tanto probabilidades de ocurrencia como consecuencias. The hazard view is very important when designing and building structures, mainly, under natural disasters. This thesis presents the considerations and recommendations to take into account to project structures in tsunami prone areas after having studied all the hazards and possible solutions through three different techniques. This has been obtained using LOGRO´s method. It is easy to think that the only possible solution to this disaster is not to build in vulnerable areas, but it is not like this. It has to be taken into account that not all tsunamis are of the same magnitude neither of the same intensity and this work considers all of them with different performance levels for each situation. On the other hand, there are very developed coastal places where it would be impossible to encourage emigration, and touristic areas where the closeness to the coast is what comes first. The aim of the results obtained in this research is to reduce the tsunami hazard minimising not only probabilities but also consequences.

Diseño de un sistema regional de alerta de tsunamis como parte integral de la operación portuaria

En este trabajo se presenta el desarrollo de una metodología para obtener un universo de funciones de Green y el algoritmo correspondiente, para estimar la altura de tsunamis a lo largo de la costa occidental de México en función del momento sísmico y de la extensión del área de ruptura de sismos interplaca localizados entre la costa y la Trinchera Mesoamericana. Tomando como caso de estudio el sismo ocurrido el 9 de octubre de 1995 en la costa de Jalisco-Colima, se estudiaron los efectos del tsunami originados en la hidrodinámica del Puerto de Manzanillo, México, con una propuesta metodológica que contempló lo siguiente: El primer paso de la metodología contempló la aplicación del método inverso de tsunamis para acotar los parámetros de la fuente sísmica mediante la confección de un universo de funciones de Green para la costa occidental de México. Tanto el momento sísmico como la localización y extensión del área de ruptura de sismos se prescribe en segmentos de planos de falla de 30 X 30 km. A cada uno de estos segmentos del plano de falla corresponde un conjunto de funciones de Green ubicadas en la isobata de 100 m, para 172 localidades a lo largo de la costa, separadas en promedio 12 km entre una y otra. El segundo paso de la metodología contempló el estudio de la hidrodinámica (velocidades de las corrientes y niveles del mar en el interior del puerto y el estudio del runup en la playa) originada por el tsunami, la cual se estudió en un modelo hidráulico de fondo fijo y en un modelo numérico, representando un tsunami sintético en la profundidad de 34 m como condición inicial, el cual se propagó a la costa con una señal de onda solitaria. Como resultado de la hidrodinámica del puerto de Manzanillo, se realizó un análisis de riesgo para la definición de las condiciones operativas del puerto en términos de las velocidades en el interior del mismo, y partiendo de las condiciones iniciales del terremoto de 1995, se definieron las condiciones límites de operación de los barcos en el interior y exterior del puerto. In this work is presented the development of a methodology in order to obtain a universe of Green's functions and the corresponding algorithm in order to estimate the tsunami wave height along the west coast of Mexico, in terms of seismic moment and the extent of the area of the rupture, in the interplate earthquakes located between the coast and the Middle America Trench. Taking as a case of study the earthquake occurred on October 9, 1995 on the coast of Jalisco-Colima, were studied the hydrodynamics effects of the tsunami caused in the Port of Manzanillo, Mexico, with a methodology that contemplated the following The first step of the methodology contemplated the implementation of the tsunami inverse method to narrow the parameters of the seismic source through the creation of a universe of Green's functions for the west coast of Mexico. Both the seismic moment as the location and extent of earthquake rupture area prescribed in segments fault planes of 30 X 30 km. Each of these segments of the fault plane corresponds a set of Green's functions located in the 100 m isobath, to 172 locations along the coast, separated on average 12 km from each other. The second step of the methodology contemplated the study of the hydrodynamics (speed and directions of currents and sea levels within the port and the study of the runup on the beach Las Brisas) caused by the tsunami, which was studied in a hydraulic model of fix bed and in a numerical model, representing a synthetic tsunami in the depth of 34 m as an initial condition which spread to the coast with a solitary wave signal. As a result of the hydrodynamics of the port of Manzanillo, a risk analysis to define the operating conditions of the port in terms of the velocities in the inner and outside of the port was made, taken in account the initial conditions of the earthquake and tsunami ocurred in Manzanillo port in 1995, were defined the limits conditions of operation of the ships inside and outside the port.