Il sisma fu avvertito in differenti parti del pianeta e produsse uno tsunami, con onde alte fino a 25 metri, che colpì diversi stati fino alla sponda opposta dell'Oceano Pacifico: Hawaii (devastando Hilo), Giappone, Filippine, Nuova Zelanda, Australia e le Isole Aleutine in Alaska. Lo stesso fenomeno fu inoltre causa dell'eruzione del Vulcano Puyehue. Le cifre esatte sulle perdite umane e materiali sono sconosciute, ma le stime più credibili parlano di 3000 morti, più di due milioni di sfollati, e danni tra 400 e 800 milioni di dollari USA (tra i 2,9 e i 5,8 miliardi del 2011), dati comunque piuttosto contenuti in confronto all'entità del terremoto, anche a causa della bassa densità della popolazione e degli edifici costruiti principalmente in legno.
Il Grande Terremoto Cileno seguì a un sisma minore, verificatosi il 21 maggio alle 06:02 ora locale, che tagliò le linee di telecomunicazione tra il sud e il resto del paese. La scossa principale colpì mentre si organizzavano i soccorsi e interessò un'area costiera di 400.000 km quadrati tra Talca e Chiloé. L'evento sismico principale durò circa 13 minuti, e fu seguito nelle settimane successive da diverse serie di scosse d'assestamento. Dopo il terremoto, il livello del mare salì improvvisamente (furono registrati 4 metri nel porto di Valdivia) sommergendo interi villaggi come Toltén. Alle 16:20 un'onda di 8 metri colpì la costa cilena, e dopo 10 minuti ne giunse un'altra di 10 metri, martoriando l'area già sconvolta dal terremoto.
Numerose fortificazioni del periodo coloniale spagnolo furono rase al suolo. La subsidenza cambiò la conformazione del suolo, distruggendo edifici, abbassando il letto dei fiumi locali e creando paludi al loro posto. Alcune testimonianze hanno riportato zampilli d'acqua che nascevano dal suolo, e la distruzione degli acquedotti assieme alla contaminazione delle falde determinò una grave penuria di acqua potabile.
La forza del terremoto fu avvertita con maggiore intensità nelle fosse tettoniche, il che spiega perché Valdivia e Puerto Octay (quest'ultima al centro della Grande Valle Centrale) furono colpite con più violenza rispetto a città più vicine all'epicentro.
Il 24 maggio, 38 ore dopo la forte scossa, il vulcano Puyehue ha ripreso la sua attività lungo il suo fianco meridionale. Il vulcano è situato fra due vallate scarsamente popolate delle Ande, e di conseguenza l'eruzione ebbe pochi testimoni oculari e ricevette anche scarsa attenzione da parte dei media locali, preoccupati dei danni e dalle vittime causate dal sisma. Il terremoto fu la causa di questa nuova eruzione. L'eruzione si concluse il successivo 22 luglio.
Il terremoto è stato innescato dalla subduzione della placca di Nazca sotto la placca sudamericana, e dalla conseguente liberazione di energia meccanica lungo la faglia corrispondente alla fossa di Atacama. La subduzione è infatti il fenomeno tettonico che genera i terremoti più potenti, poiché la sua conformazione richiede un enorme accumulo di energia per lungo tempo prima che possa essere liberata durante l'evento sismico. L'ipocentro localizzato a 33 km di profondità è stato relativamente elevato in confronto ai 70 km che può raggiungere nei terremoti in Cile e Argentina. La frattura che si è prodotta nel suolo era lunga 800 km, da Talca (35° sud) a Chiloé (43° sud), e si è prodotta a una velocità stimata di 3,5 km al secondo.
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