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Introducción
El estado de Chiapas es una de las regiones con mayor actividad sísmica en la República Mexicana, debido a una condición especial, la interacción de tres placas tectónicas principales: la Placa de Cocos, la Placa de Norte América y la Placa del Caribe. Como consecuencia de los movimientos tectónicos originados en la zona, se han desarrollado varios sistemas de falla en los cuales se acumula y libera energía potencial con recurrencia variable.
Los sismos que han afectado el estado de Chiapas han tenido cinco fuentes sismogenéticas (González-Herrera, 2014), donde destaca principalmente la subducción de la Placa de Cocos bajo la Placa de Norteamérica (Figura 1), que ha dado origen a sismos de gran magnitud (M>7.0) ocurridos en toda la República Mexicana (Suárez y Singh, 1986; Pardo y Suárez, 1995).
La segunda fuente corresponde a la deformación interna de la placa subducida, que produce sismos intermedios y profundos (desde 80 hasta 300 km) del tipo intraplaca como el ocurrido el 7 de septiembre de 2017 (Kostoglodov y Pacheco, 1999).
La tercera fuente está constituida por la deformación cortical debida a sistemas de fallas superficiales, las cuales originan temblores de poca profundidad y de una magnitud moderada que producen daños locales (González et al., 2015), un claro ejemplo de esta fuente son los sismos de tipo swarm (enjambre) que tuvieron lugar en Chiapa de Corzo entre julio y octubre de 1975. La presencia de los volcanes activos en Chiapas: el Tacaná y el Chichonal o el Chichón corresponden a la cuarta fuente sismo-genética. Finalmente el fallamiento lateral izquierdo entre la placa de Norte América y la del Caribe (movimiento transcurrente); ésta última fuente ha producido importantes sismos como el ocurrido el 18 de abril de 1902 que destruyó monumentos históricos en la ciudad de Antigua Guatemala y que alcanzó intensidades de VIII en la zona del Soconusco en Chiapas (Benito et al., 2001).
Con la ocurrencia de los sismos que han afectado al estado de Chiapas, ha quedado de manifiesto que las condiciones locales del suelo tienen un papel fundamental en la respuesta estructural (González et al., 2013; Vidal et al., 2016; Moreno-Ceballo et al., 2019). Para tener una primera aproximación del comportamiento dinámico del suelo ante la ocurrencia de un sismo, realizar una microzonificación es una alternativa sólida para apoyar los programas de ordenamiento y manejo territorial, así como tener elementos para el cálculo del peligro en los reglamentos de construcción. Los planes de desarrollo de las poblaciones deben contemplar la respuesta sísmica local del subsuelo, con el fin de definir los parámetros específicos de diseño estructural sismo resistente, de acuerdo con el historial sísmico de la región asociado a tiempo, espacio y magnitud (IPCMIRD, 2010).
Sismicidad histórica en Chiapa de Corzo
Un aspecto fundamental para determinar las zonas de amplificación y a su vez hacer estudios de peligro sísmico en una zona específica es el análisis de los daños históricos por sismo, en la Tabla 1 se muestran algunos de los sismos más significativos que han afectado a la ciudad de Chiapa de Corzo (Nandayapa, 2011).
Tabla 1 Sismos que han afectado a Chiapa de Corzo.
| Fecha | Latitud | Longitud | Magnitud | |
|---|---|---|---|---|
| 05/06/1897 | 16.30 | -95.40 | 7.4 | |
| 19/04/1902 | 14.90 | -91.50 | 7.5 | |
| 23/09/1902 | 16.60 | -92.60 | 7.7 | |
| 14/01/1903 | 15.00 | -93.00 | 7.6 | |
| 09/12/1912 | 15.50 | -93.00 | 7.0 | |
| 30/03/1914 | 17.00 | -92.00 | 7.2 | |
| 10/12/1925 | 15.50 | -92.50 | 7.0 | |
| 28/06/1944 | 15.00 | -92.50 | 7.1 | |
| 26/09/1955 | 15.50 | -92.50 | 6.9 | |
| 09/11/1956 | 17.45 | -94.08 | 6.3 | |
| 29/04/1970 | 14.52 | -92.60 | 7.3 | |
| 05/10/1975 | 16.74 | -92.92 | 4.8 | |
| 10/09/1993 | 14.20 | -92.80 | 7.2 | |
| 14/03/1994 | 15.98 | -92.43 | 6.8 | |
| 21/10/1995 | 16.81 | -93.47 | 7.1 | |
| 18/11/2001 | 15.45 | -93.60 | 6.3 | |
| 16/01/2002 | 15.58 | -93.60 | 6.3 | |
| 07/09/2017 | 15.76 | -93.70 | 8.2 |
Para este trabajo se consideraron dos eventos sísmicos en particular, los cuales se seleccionaron por el hecho de contar en ambos con suficiente información:
El lunes 6 de octubre de 1975, a las 0:55 horas, se presentó un sismo de magnitud 4.8, que produjo daños importantes pese a su magnitud. El epicentro se localizó en las riberas de Cupía, Amatal y América Libre; localidades rurales ubicadas aproximadamente a 4 km al sureste de Chiapa de Corzo, sismo producido por el fallamiento cortical, inducido por el llenado del embalse de la presa "La Angostura" (Nandayapa, 2011; Figueroa et al., 1975) (Figura 2).
Figura 2 Daños en los portales y caída de uno de los remates de los arcos botareles de la fuente colonial de Chiapa de Corzo, Chiapas por el sismo de 1975.
Los factores que generalmente influyen en la distribución de los daños en las construcciones se asocian al sistema constructivo, las propiedades del suelo y los materiales empleados, además de las características topográficas del lugar, que pueden ser una fuente de efectos de sitio ya que tienen una influencia considerable sobre la frecuencia y las características de amplitud de los movimientos de tierra del terremoto y por lo tanto en la extensión del daño estructural local (Meslem et al., 2012).
Con respecto al ordenamiento urbano, la amenaza sísmica no rige ni condiciona el uso del suelo, sólo condiciona las estructuras sometidas a dicha amenaza (Cardona, 2008), tampoco condiciona el uso de las urbanizaciones o construcciones, así como tampoco lo hace en el caso del uso del suelo en el ordenamiento urbano. Dicha amenaza sólo condiciona las características de las estructuras donde residen tales usos (Padrón et al., 2011).
Metodología
Definir las variables para la microzonificación
Tupak (2009) afirma que los aspectos más significativos a considerar en los estudios de microzonificación son los siguientes:
Propiedades geotécnicas de los suelos, espesor, densidad, velocidad de ondas transversales, módulo de rigidez, resistencia, profundidad del nivel freático, etcétera.
Susceptibilidad frente a la licuación, deslizamiento y roturas superficiales por fallas.
Susceptibilidad de laderas de sufrir procesos de remoción.
Condiciones topográficas que puedan amplificar la respuesta sísmica.
Peligrosidad frente a tsunamis en zonas costeras.
La microzonificación sísmica de una zona urbana propuesta en esta investigación engloba el manejo de gran cantidad de información, como lo son: las características geológicas, la clasificación de los suelos a nivel local (edafología), el análisis y la determinación de las zonas de inundación o la delimitación de las llanuras inundables y por último una recopilación de daños históricos por sismo referenciados geográficamente.
La existencia de edificaciones con alto valor patrimonial, la presencia de zonas con alto grado de marginación en la ciudad de Chiapa de Corzo y su dependencia de construcciones con materiales frágiles como el adobe asociadas con la necesidad de conservar su imagen urbana por cuestiones turísticas son factores que hacen necesaria la determinación de las zonas de mayor amplificación sísmica en el lugar. Tras definir las variables, se realizó el álgebra de mapas correspondiente, con el objetivo de obtener una zonificación a partir de las regiones de coincidencia y la ponderación de las variables atendiendo a las características de cada uno de los elementos:
Geología + Edafología + Zonas inundables + Daños históricos = Microzonificación Sísmica.
Cabe mencionar que cada elemento se analizó de manera individual para determinar sus características y su posible comportamiento ante un evento telúrico dadas sus propiedades, ya que se ha comprobado que, ante un sismo, el tipo de suelo resulta determinante en la amplificación de las ondas (Moreno-Ceballo et al., 2019).
Entrevistas
Se realizaron entrevistas semiestructuradas con cronistas, historiadores y personas que tuvieran información sobre el sismo ocurrido el 6 de octubre de 1975 en la ciudad de Chiapa de Corzo, para obtener información acerca de este hecho, posterior a ello y una vez identificados los daños ocasionados por el sismo, se realizó una base de datos en Excel, capturando fotografías históricas de las construcciones dañadas de antes, después del sismo y el estado actual de las edificaciones por medio del sistema SICED (Sistema Ciudadano de Evaluación de Daños), el cual emplea la Escala Macrosísmica Europea para clasificar las clases de vulnerabilidad y niveles de daño.
Asignación del grado de niveles y estimación de la clase de vulnerabilidad
Los estudios de vulnerabilidad, generalmente se centran en la posibilidad que presentan las edificaciones de sufrir daños, éstos están ubicados en diferentes escalas de medición, las cuales pueden ser cuantitativas y cualitativas y su función primordial es describir el estado global de la estructura y su posible comportamiento ante un sismo. Para la evaluación de edificaciones que se han visto sujetas a la acción de un sismo existen muchos métodos, para esta investigación se consideró el método de la Escala Macrosísmica Europea (EMS-1998 por sus siglas en inglés).
La Escala Macrosísmica Europea EMS-1998 (Grunthal, 1998) considera una descripción y esquema gráfico, además define en forma cualitativa cada uno de los cinco grados de daño de que consta sin que se tenga una clara diferencia entre dos grados de daño consecutivos (Silva, 2006), por estos factores para esta investigación se consideró este método, específicamente la variante desarrollada por la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM), la cual se probó en la colonia Roma del Distrito Federal (Arellano et al., 2003).
En las Tablas 2 y 3 se muestra la clasificación de los sistemas constructivos encontrados en la mayoría de las ciudades mexicanas con las que se clasifica su vulnerabilidad, las cuales van desde la A (más vulnerable) hasta F (menos vulnerable) y la asignación del daño observado.
Tabla 2 Clasificación del daño en estructuras de mampostería.
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Grado 1: Daños de despreciables a ligeros (ningun daño estructural, daños no estructurales ligeros). Grietas superficiales en muy pocos muros. Caida sólo de pequeños trozos de recubrimiento. Caida de piedras sueltas de las partes altas de los edificios en muy pocos casos. |
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Grado 2: Daños moderados (daños estructurales ligeros, daños no estructurales moderados). Grietas en muchos muros. Caida de trozos grandes de recubrimiento. |
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Grado 3: Daños de importantes a graves (daños estructurales moderados, daños no estructurales graves). Grietas grandes y generalizadas en la mayoría de los muros. Se sueltan tejas del tejado. Fallas de elementos individuales no estructurales (muros divisorios, hastíales y tejados). |
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Grado 4: Daños muy graves (daños estructurales graves, daños no estructurales muy graves). Se dañan seriamente los muros; falla estructural parcial de techo y losas. |
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Grado 5: Destrucción (daños estructurales muy graves). Colapso total o casi total. |
La observación de la clase de vulnerabilidad y de grado de daño se realizó con el empleo de estudiantes de ingeniería civil coordinados por especialistas
Resultados
1.1.Geología
La superficie de la región Metropolitana presenta siete tipos de roca, donde predominan tres tipos, caliza (34.46%), limonita-arenisca (29.01%), y lutita-arenisca (16.55%). También depósitos cretácicos: Limolita (7.35%) y Aluvial (7.22%). Otras composiciones variadas conforman el 5.40% restante de la superficie de la región (Secretaría de Hacienda, 2017).
El municipio de Chiapa de Corzo muestra características geológicas determinadas por rocas, donde predomina la caliza en un 40.84%, Lutita - Arenisca (27.06%), Limolita - Arenisca (13.22%), Caliza - Lutita (10.56%), Conglomerado (7.44%), Ígnea Intrusiva Básica (0.74%) yArenisca - Conglomerado (0.12%) (INEGI, 2008).
Las lutitas son rocas de grano fino que se parten en lajas laminadas más o menos paralelas a la estratificación. Las partículas de estas rocas son tan pequeñas que es muy difícil determinar la composición mineral precisa las mismas. Es importante destacar que contienen minerales arcillosos, además de partículas de limo, cuarzo, feldespato, calcita y dolomita (Don Leet & Judson, 1980).
1.2. Edafología
El mapa edafológico de Chiapa de Corzo nos muestra que la porción Este de la población está conformada por un Regosol calcárico, en esta zona existen algunos lomeríos bajos. El lado Oeste y una pequeña porción al Sur se encuentran en un Vertisol pélico; así mismo, otra zona al Suroeste del poblado está constituida por un Fluvisol éutrico. Al Sur y Suroeste se encuentra el cuerpo de agua que constituye el río Grande de Chiapa o río Grijalva. La mayor parte del centro histórico de Chiapa de Corzo es sensiblemente plana (Salgado et al., 2004).
Los Vertisoles son suelos arcillosos propiamente dichos, presentando grietas en alguna estación del año o caras de deslizamiento dentro del metro superficial del perfil. Son suelos muy compactos en la estación seca (muy duros) y muy plásticos en la húmeda, por lo que el manejo de estos suelos es bastante complicado. En este sentido son suelos en los que la instalación de tuberías o cualquier dispositivo no plástico y ajeno al suelo puede dar lugar a roturas (dependiendo de su elasticidad) debido a las tensiones que el crecimiento y cierre de las grietas puede producir (Blanquer et al., 2011).
1.3. Zonas inundables
Las zonas inundables o adyacentes a los cauces fluviales son muy atractivas para los desarrollos urbanísticos. La utilización de dichas zonas, sin considerar los límites naturales necesarios para evacuar las crecientes, ha contribuido a amplificar el efecto negativo de las inundaciones, que en algunos casos dejan consecuencias trágicas (Arbeláez et al., 2002), Chiapa de Corzo no es la excepción; la ciudad yace a las márgenes del río Grijalva, en ocasiones ha sufrido inundaciones, como las provocadas por el huracán Arthur en el 2008 (Hernández Unzón, 2009) y huracán Matthew en el 2010 (López, 2010) por mencionar algunos ejemplos.
La amplificación del movimiento del suelo es la responsable del daño extenso en áreas constituidas por depósitos de gran potencia de sedimentos blandos y poco compactados. Geomorfológicamente, la llanura de inundación es una forma de terreno compuesto primariamente de material depositado no consolidado, derivado de sedimentos transportados por el río en cuestión (Schmudde, 1968).
De manera general, los daños causados por la sacudida del terremoto comúnmente se relacionan con variaciones de los materiales geológicos cercanos a la superficie y, de manera particular, estas grandes amplificaciones del movimiento del terreno se asocian con depósitos sedimentarios recientes y poco consolidados (Tinsley y Fumal, 1985).
Incluyendo datos históricos de inundación y tomando como parámetro fundamental en este caso a las características topográficas del lugar, se realizó un mapa del Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias (NAME) (Figura 5).
1.4. Daños históricos
El último paso para obtener la microzonificación sísmica fue elaborar una base de datos en Excel, con una recopilación de los daños presentados con la ocurrencia de dos sismos principalmente: los sismos del 06 de octubre de 1975, y cuáles de ellos persisten hasta la actualidad, definiendo el uso que se le daba al inmueble en esa época y el que recibe actualmente y el sismo del 07 de septiembre de 2017 de 8.2 Mw. Se tomaron puntos que corresponden a las edificaciones que presentaron daños por los fenómenos antes mencionados, los cuales fueron referenciados geográficamente y con ellos se generó la información vectorial catalogada como daños históricos a partir de la EMS-1998. Los daños se sintetizan y son presentados en la Figura 6.
1.5. Microzonificación sísmica
Empleando la metodología presentada en esta investigación se elaboró una micro zonificación que dividía a la cabecera municipal de Chiapa de Corzo en dos zonas (Figura 7). Las zonas tienen las siguientes características:
Figura 7 Microzonificación sísmica de Chiapa de Corzo, Chiapas y superposición de los daños históricos
Zona 1: Corresponde al área que se encuentra por debajo de la cota 400, en términos generales es la zona más baja de la cabecera municipal. Suelos arcillosos, constituidos por sedimentos transportados por el río Grijalva. Se localizan el 85% de los daños reportados por sismo, con varias edificaciones colapsadas (Grado 5 de la EMS-1998).
Zona 2: Conformada básicamente por Regosoles, suelos que desarrollan sobre un manto de materiales sueltos, poco consolidados, pero de menores espesores (Moreno-Ceballo et al., 2019). Los daños registrados por sismo van del Grado 1 al Grado 3 de la EMS-1998 y equivalen al 15% del total de viviendas censadas. Es una zona sensiblemente plana, la topografía del lugar es poco accidentada, lo cual ayudo a facilitar el proceso de compactación durante la construcción de la cimentación.
En la Figura 8 se observa una correlación entre las zonas obtenidas y el grado de daño presentado en cada una de ellas. La amplificación del terreno local puede deberse a la naturaleza, composición y morfología de las capas superficiales del suelo. Este fenómeno local de comportamiento de terreno es conocido como "efecto local", "respuesta local" o "efecto de sitio" (Salgado et al., 2004; Rodríguez, 2005; González-Herrera et al., 2013; Vidal et al., 2016; Moreno-Ceballo et al., 2019).
Definición de la vulnerabilidad sísmica
La determinación de la vulnerabilidad sísmica en las edificaciones es un problema de gran complejidad que ha de ser abordado de diferentes formas en función de la escala de trabajo. Son multitud las variables que influyen en la vulnerabilidad de un edificio; cimentación, estructura, antigüedad, altura, geometría en planta y en altura, respuesta del terreno (ubicación geográfica), distribución de masas, relación con otros edificios, etc. el conocimiento de todos estos factores implica un ingente trabajo de campo (Asenjo et al., 2007).
Un análisis de vulnerabilidad es un estudio de la capacidad de un sistema de resistir o absorber el impacto de un suceso que caracteriza una amenaza y, por lo tanto, se diferencia del análisis de riesgo, que es la estimación de pérdidas de acuerdo con el grado de amenaza considerado y con el nivel de vulnerabilidad existente en el sistema expuesto (Barbat & Pujades, 2004).
2.1. Definición de la calidad en la edificación y el grado de daño
Para el cálculo de la vulnerabilidad se tomaron en cuenta factores determinantes como: la calidad de los materiales empleados en la edificación y los sistemas constructivos que presentaron daños históricos observados con los sismos de octubre de 1975 y el sismo del 07 de septiembre de 2017, los cuales se ubicaron a través de una investigación documental y trabajo de campo acompañado de encuestas.
Con estos elementos se construyó una base de datos en donde se definió el uso del inmueble en el lapso de tiempo en el cual ocurrieron los eventos mencionados, la misma consta de 200 puntos georreferenciados (Figura 9), con los cuales se realizó una interpolación agrupando los valores semejantes en cuanto al grado de daño, la cual arrojó que el 74.74% de las viviendas censadas presentaron Grado 1, con esta información se elaboró el mapa de grado de daño en la edificación a nivel manzana (Figura 10).
Figura 10 Mapa del grado de daño en las edificaciones por manzana en la cabecera municipal de Chiapa de Corzo, Chiapas
La selección de estos eventos corresponde a la cantidad de daños que provocaron y al hecho de contar con información suficiente para la localización de cada uno de ellos y su posterior análisis.
La Figura 11 muestra los materiales empleados en la zona de estudio, la mayoría utiliza ladrillo reforzado, seguido por el adobe que ha sido tradicionalmente el material más empleado para los muros de las viviendas en la zona, debido a la economía, facilidad de fabricación, construcción y a sus bondades térmicas.
La calidad de estos materiales es casi siempre bastante pobre, ya que son artesanales y de autoconstrucción. Los morteros con que se unen las piezas son también en general de baja calidad y con frecuencia son de cal y arena únicamente. En las regiones de mayor riesgo "sísmico o en sitios donde el suelo sea muy deformable es frecuente que se coloquen elementos de refuerzo (castillos y dalas) en los muros (Hernández et al., 1979). De esta forma, teniendo en cuenta la resistencia de cada uno de los materiales, se construyó un mapa de calidad en la edificación (Figura 12), para correlacionar los resultados obtenidos con las zonas de mayor amplificación, el grado de daño y las zonas más vulnerables.
Figura 12 Mapa de calidad en la edificación por manzana en la cabecera municipal de Chiapa de Corzo, Chiapas.
2.2. Vulnerabilidad sísmica
Con la información física de las edificaciones y la inclusión de las variables: cantidad de habitantes, grado de daño y tipo de material con el que están construidas, se usó el software ArcMap para la determinación de la vulnerabilidad (Figura 13) por manzana dentro de la zona de estudio, a través de la siguiente fórmula:
Dónde: V- Vulnerabilidad, D - Grado de Daño, Hab Cantidad de habitantes, Edif - Calidad de la edificación
Figura 13 Mapa de vulnerabilidad sísmica por manzana en la cabecera municipal de Chiapa de Corzo, Chiapas
Debido a que por múltiples razones puede no ser muy conveniente presentar la información con un grado de detalle a nivel predial (edificio por edificio), los resultados de la evaluación por predios son globalizados a nivel de manzana, mediante el uso de la ponderación de acuerdo con el número de metros construidos (Saldaña et al., 2005).
La autoconstrucción es un factor determinante en las afectaciones provocadas por los sismos así como los sistemas constructivos y los materiales empleados en la zona de estudio, trascendiendo en los grupos con mayor grado de marginación de la población, que, por desconocimiento y carencia de recursos, recurren a la autoconstrucción con materiales de baja calidad y pobre comportamiento estructural.
En la Figura 9 se observa que los daños se concentran en la región 1 de la micro zonificación (región limítrofe con el río Grijalva y zona de mayor amplificación sísmica), no obstante que la calidad de los materiales y sistemas constructivos permiten edificar construcciones frágiles en toda la mancha urbana (Figura 11) y se corrobora con el análisis de vulnerabilidad a partir del EMS (1998) en la Figura 13.
De lo anterior se puede inferir que en una región donde los sistemas constructivos, materiales y edades son homogéneos, el daño principalmente está definido por la amplificación sísmica, por lo cual la vulnerabilidad estaría influenciada en estas regiones por la exposición.
Para constatar la información obtenida a través del álgebra de mapas, se procedió a validar los mismos con los coeficientes de correlación de Pearson y Spearman, ya que éstos miden la fuerza o grado de asociación de dos variables. La Figura 14 muestra el mapa de correlación espacial resultante entre las zonas de mayor amplificación y los daños históricos, se obtuvo una correlación positiva con un valor máximo de 0.45.
Figura 14 Correlación espacial entre las zonas de mayor amplificación y los daños históricos en la zona urbana de la cabecera municipal de Chiapa de Corzo.
La significancia estadística de un coeficiente debe tenerse en cuenta conjuntamente con el fenómeno estudiado, valores entre 0.5 y 0.7, indican una relación moderada-fuerte (Martínez et al., 2009). Además el error medio cuadrático (RMSE por sus siglas en Inglés) resultante fue de 0.27, importante resaltar que mientras más cercano sea este valor a 0, más confiable el resultado.
Conclusiones
Durante la investigación se generó una metodología que permite evaluar o estimar las zonas de amplificación sísmica en casos donde se carece de instrumentos para realizar mediciones dinámicas del suelo.
La metodología generó una microzonificación que se divide en dos zonas:
Zona 1: Corresponde al área que se encuentra por debajo de la cota 400, en términos generales es la zona más baja de la cabecera municipal. Suelos arcillosos, constituidos por sedimentos transportados por el río Grijalva. Se localizan el 85% de los daños reportados por sismo, con varias edificaciones colapsadas (Grado 5 de la EMS-1998).
Zona 2: Conformada básicamente por Regosoles, suelos que desarrollan sobre un manto de materiales sueltos, poco consolidados, pero de menores espesores. Los daños registrados por sismo van del Grado 1 al Grado 3 de la EMS-1998 y equivalen al 15% del total de viviendas censadas.
Se presenta una propuesta donde la vulnerabilidad por exposición es importante en zonas donde el sistema constructivo, materiales y edades son homogéneos, pero que hay concentración de daños en solo alguna de las regiones como es el caso de Chiapa de Corzo en su región 1, con el 85% de los daños calibrados con los dos sismos más importantes de la región en tiempos recientes: septiembre de 2017 y octubre de 1975.
Las zonas donde existe mayor vulnerabilidad sísmica se localizan en la zona centro debido a que ahí se encuentran las construcciones más antiguas, así como también en las zonas cercanas al río Grijalva, debido a que geomorfológicamente, las márgenes de los ríos son una forma de terreno compuesto primariamente de material depositado no consolidado, derivado de sedimentos transportados por el río en cuestión.
