METODOS DE REFRACCION
INTRODUCCIÓN. Principios de la elasticidad y ondas elásticas frente de Ondas, propagación de las ondas La exploración sísmica emplea las ondas elásticas que se propagan a través del terreno y que han sido generadas artificialmente. Su objetivo es el estudio del subsuelo en general, lo cual permite obtener información geológica de los materiales que lo conforman. La prospección sísmica es una herramienta de investigación poderosa, ya que con ella se puede inspeccionar con buena resolución desde los primeros metros del terreno (sísmica de alta resolución o sísmica superficial; shallow seismic ) hasta varios kilómetros de profundidad (sísmica profunda; deep seismic ). ). Así, para la sísmica profunda se utilizan fuentes de energía muy potentes (explosivos o camiones vibradores) capaces de generar ondas elásticas que llegan a las capas profundas del subsuelo, mientras que para la sísmica superficial se utilizan martillos de impacto, rifles sísmicos y explosivos de baja energía. De manera que el diseño de una campaña sísmica (equipo y material a utilizar) está en función del objetivo del estudio. Según esto, la sísmica profunda se emplea en la detección de reservorios petrolíferos (ya sea terrestre o marítima), grandes estructuras geológicas (plegamientos montañosos, zonas de subducción, etc.), yacimientos minerales, domos salinos, etc. Mientras que la sísmica superficial tiene mucha aplicación en la obra pública y la ingeniería civil. La prospección sísmica se basa en el mismo principio que la sismología, consiste en generar ondas sísmicas mediante una fuente emisora y registrarlas en una serie de estaciones sensoras (geófonos) distribuidas sobre el terreno. A partir del estudio de las distintas formas de onda y sus tiempos de trayecto, se consiguen obtener imágenes del subsuelo que luego se relacionan con las capas geológicas (secciones sísmicas, campos de velocidades, etc.).
ONDAS ELÁSTICAS La teoría de la elasticidad se apoya en el comportamiento de un cuerpo sujeto a esfuerzos y deformaciones simultáneas.
A partir de ello, el efecto de las fuerzas aplicadas y sus movimientos movimientos asociados, se desarrollan las ecuaciones de movimiento en las partículas de ese cuerpo.
Incorporando las constantes de Lamme y realizando transformaciones
matemáticas convenientes, se llega a la representación de la velocidad de transmisión de las ondas compresionales y transversales; en función de los módulos elásticos. (El desarrollo completo puede verse en varios autores de la bibliografía).
En conclusión, la velocidad de las ondas compresionales o de dilatación son más rápidas que las ondas transversales.
En la teoría de los terremotos,
las ondas compresionales o de dilatación se
denominan: ondas P y las ondas transversales se denominan: ondas S pero también se propagan otro tipo de ondas, de mayor longitud de onda; se denominan superficiales por que su propagación es por la superficie de la tierra;
ONDAS ELÁSTICAS La teoría de la elasticidad se apoya en el comportamiento de un cuerpo sujeto a esfuerzos y deformaciones simultáneas.
A partir de ello, el efecto de las fuerzas aplicadas y sus movimientos movimientos asociados, se desarrollan las ecuaciones de movimiento en las partículas de ese cuerpo.
Incorporando las constantes de Lamme y realizando transformaciones
matemáticas convenientes, se llega a la representación de la velocidad de transmisión de las ondas compresionales y transversales; en función de los módulos elásticos. (El desarrollo completo puede verse en varios autores de la bibliografía).
En conclusión, la velocidad de las ondas compresionales o de dilatación son más rápidas que las ondas transversales.
En la teoría de los terremotos,
las ondas compresionales o de dilatación se
denominan: ondas P y las ondas transversales se denominan: ondas S pero también se propagan otro tipo de ondas, de mayor longitud de onda; se denominan superficiales por que su propagación es por la superficie de la tierra;
Ondas superficiales: Ondas Love: se trata de movimientos transversales horizontales Ondas Rayleigh: son movimientos verticales y paralelos a las transversales.
Las ondas superficiales no son utilizadas en la prospección sísmica; se hace entonces necesario su eliminación por medio de filtros y otros procedimientos.
Velocidad de ondas en el suelo y rocas Las características de propagación de un movimiento sísmico en el subsuelo sólo dependen de las propiedades elásticas de las rocas que regularán la velocidad de propagación de los movimientos ondulatorios.
Lo único que se necesita para que se genere el movimiento sísmico es que en un espacio reducido se libere energía producida por un impacto de corta duración. En la prospección sísmica, el movimiento sísmico se provoca artificialmente mediante dispositivos donde se controla la energía liberada.
Tomando en cuenta la gran variación de constantes elásticas que pueden presentar los diferentes tipos de suelos y estructuras geológicas del subsuelo, la energía sísmica necesaria para tener información del subsuelo puede ser muy grande, cuanto más profunda sea la capa, mayor será la energía requerida, y conforme aumente el número de cambios de medios elásticos, la energía susceptible de regresar a la superficie disminuye rápidamente.
SÍSMICA DE REFRACCIÓN La sísmica de refracción realizó grandes aportaciones a la prospección sísmica en sus comienzos. Hasta la década de los 60 fue extremadamente popular, especialmente en la exploración de cuencas sedimentarias donde condujo al descubrimiento de grandes campos de petróleo; posteriormente quedó relegada por los avances del método de reflexión que proporcionaba una información más detallada [3]. Sin embargo, debido a su menor coste y al tipo de información que proporciona (campo de velocidades) la sísmica de refracción es un potente método que actualmente se emplea tanto en estudios de estructuras profundas de
la corteza terrestre como en estudios del subsuelo más inmediato ( ripabilidad , rellenos anisotrópicos, compactación de los materiales, etc.)
El método se basa en la medición del tiempo de viaje de las ondas refractadas críticamente en las interfaces entre las capas con diferentes propiedades físicas; fundamentalmente por contraste entre impedancias acústicas (i = ρ.v; en donde ρ
es la densidad y v la velocidad de la capa). La energía sísmica se genera mediante un impacto controlado en superficie (o a una determinada profundidad) que va propagándose en forma de onda elástica a través del subsuelo interaccionando con las distintas capas, de manera que una parte de la energía se refleja y permanece en el mismo medio que la energía incidente, y el resto se transmite al otro medio con un fuerte cambio de la dirección de propagación debido al efecto de la interfase (refracción). De esta interacción, la sísmica de refracción solo considera las refracciones con ángulo crítico ya que son las únicas ondas refractadas que llegan a la superficie y pueden ser captadas por los geófonos
La sísmica de refracción utiliza los tiempos de primeras llegadas del sismograma que corresponden a las ondas refractadas críticamente en las distintas capas del subsuelo. Cada una de estas capas se distingue por su impedancia acústica y se le llama refractor. El resultado de este método es una imagen sísmica del terreno en forma de campo de velocidades [V(x,z)]; que posteriormente será interpretado geológicamente.
La distancia desde los receptores al punto de tiro debe ser considerablemente grande comparada con la profundidad de los horizontes que se desean detectar,
debido a que las ondas viajan grandes distancias horizontales antes de ser refractadas críticamente hacia la superficie; por ello también se suele llamar sísmica de gran ángulo. Estas largas trayectorias de propagación hacen que se disipe una mayor proporción de energía y, en particular se produzca una absorción de las frecuencias más altas, en consecuencia los datos de refracción son de bajas frecuencias comparados con los datos de reflexión y, a igualdad de fuente sísmica, se inspecciona menor profundidad. La sísmica de refracción es especialmente adecuada cuando se desean estudiar superficies de alta velocidad, ya que brinda información de velocidades y profundidades en las cuales se propagan las ondas. También es posible inspeccionar áreas más grandes mas rápidamente y de forma más económica que el método de reflexión; a pesar de presentar una significante perdida del detalle Caso de una interfase inclinada entre dos medios: La interfase está inclinada hacia la izquierda.
v2- = una velocidad aparente menor con respecto a la velocidad correspondiente al segundo medio, se la registra cuando la onda de MINTROP corre a favor del buzamiento de la interfase. v2+ = una velocidad aparente mayor con respecto a la velocidad correspondiente al segundo medio, se la registra cuando la onda de MINTROP corre en contra del buzamiento de la interfase. Para la velocidad v2 correspondiente al segundo medio vale: v 2- < v2 < v2+.
En sísmica de refracción se mide el tiempo transcurrido entre el momento del disparo y la primera llegada de la perturbación a cada geófono (bien la onda directa, o bien las ondas refractadas), y se trabaja normalmente con la velocidad de las ondas P (Vp). Las superficies donde se produce refracción (refractores) vienen definidas por cambios de impedancia acústica (= densidad * velocidad), y se produce una refracción total cuando el ángulo de incidencia alcanza un valor determinado según la Ley de Snell. No obstante, la sísmica de refracción convencional tiene algunas limitaciones que, sobre todo en ambientes urbanos, dificultan su aplicación: · Se necesita un ambiente sin ruidos, cosa casi imposible en áreas urbanas. · Se asume que existe un aumento de velocidad en profundidad, que aunque en general es un principio válido, cuando existen capas de baja velocidad, no se detectan. · Para determinar Vs, es preciso realizar ensayos especiales (“cross -hole”, “downhole”) que son complejos, caros y lentos.
Además de las ondas internas, las fuentes sísmicas pueden generar ondas superficiales (Raleygh y Love) que presentan un movimiento de vibración de las partículas similar al de las ondas S (cizalla). Las ondas superficiales tienen como característica principal que son dispersivas : son grupos de ondas en los que viajan diferentes fases, cada una con diferente velocidad de propagación . En general las fases más largas son las más rápidas y las que más penetran en el subsuelo. Dentro de las ondas superficiales, las ondas Raleygh son ondas sísmicas plano-poralizadas verticalmente
Modo de propagación de las ondas Raleygh, cuya principal característica es su carácter dispersivo.
Principios del métodos de refracción sísmica. Cuando las ondas sísmicas pasan de un medio a otro en el que se propagan con velocidades diferentes, sufren refracción. La ley de refracción es sencilla. Si el rayo incidente sobre el contacto o interfaz entre dos medios, forma un ángulo i 1 con la normal a la interfaz, el rayo refractado en el medio adyacente formará un ángulo i 2 (figura) tal que:
sen i 2 / sen i 1 = V2 / V1
donde V1 y V 2 son las velocidades sísmicas respectivas en los dos medios. Si V 2 es mayor que V 1 tendremos que sen i 2 > sen i 1 y por lo tanto, i 2 > i 1. De este modo, el rayo refractado forma mayor ánguno con la normal, es decir, menor ángulo con la superficie que el rayo incidente.
Si el ángulo del rayo incidente toma un valor particular i c, tal que
sen i c = V1 / V2
sen i 2 = 1 por lo que i 2 = 90º. En este caso el rayo refractado viaja a lo largo del contacto y el ángulo de incidencia i c se llama ángulo crítico.
Consideremos un recubrimiento de espesor h que descansa sobre un sustrato cuya velocidad sísmica es mayor (figura). Un rayo SA críticamente incidente será refractado, de modo que se propagará a lo largo de la línea AB1B2,..., sobre la interfaz, pero en diferentes puntos, tales como B1, B2,..., etc., su energía vuelve a pasar al primer medio, sobre rayos que forman ángulo con la normal en estos puntos iguales a i c. Estos rayos alcanzan la superficie del terreno en los puntos G1, G2, ..., etc.
Si se coloca una serie de geófonos sobre una línea recta, a partir del punto de tiro, el primer rayo que llega a los geófonos más próximos será el directo que viaja por la superficie, es decir, SG. Sin embargo, en los geófonos más distantes, el rayo que llega en primer lugar será el refractado, porque recorre en su camino
con la mayor velocidad V 2 y a delanta al rayo directo. Por consiguiente, si representamos gráficamente los tiempo de las primeras llegadas caerán sobre una recta y el resto sobre otra recta, cuyas pendientes sependerán respectivamente de las velocidades V 1 y V2. Más correctamente, las pendientes respectivas de los segmentos son iguales a las inversas de las velocidades respectivas, según se indica en la figura.
Una vez determinadas de este modo las velocidades, el espesor de la capa superior puede hallarse a partir del "punto de ruptura" en el que se cortan las dos líneas. Si es Xc la distancia de dicho punto al de tiro, puede demostrarse que el espesor viene dado por:
Xc
V2 - V1
h = -------2
--------------
V2 + V1
La figura siguiente representa un ejemplo de perfil de refracción, realizado con un sismógrafo portátil de martillo.
El método de refracción se aplica en la ingeniería en la exploración de minerales y en la ingeniería civil por ejemplo: i.
para determinar la profundidad a una capa rocosa cubierta por aluviones por ejemplo.
ii.
para estimar la profundidad hacia una capa rocosa cubierta con sedimentos no consolidados.
iii.
para averiguar la posibilidad de fracturamiento de las rocas.
i. El método de refracción más sencillo para determinar la profundidad a un lecho rocoso como una secuencia de areniscas o un manto andesítico cubierto por aluviones es el método ABC. A y B denotan disparos ubicados en los dos extremos de un perfil, el disparo C se sitúa en la mitad del perfil (véase figura refrac1i.cdr).
La profundidad vertical con respecto al disparo C se calcula del modo siguiente: hc = 1/2 × (t CA + tCB - t AB) ×
(v1 × v2)/(v22 - v12)
donde hc = profundidad al lecho rocoso desde el disparo C medido verticalmente con respecto a la interfase situada entre el recubrimiento y el lecho rocoso. tCA, tCB, t AB = tiempos de viaje de superficie a superficie de un disparo al otro. v1 = velocidad del recubrimiento. v2 = velocidad correspondiente al lecho rocoso. Si v2 >> v1, lo que es un caso frecuente, se puede reemplazar v 2 por v1 obteniendo: hc
1/2 × v1 × (tCA + tCB - t AB)
En esta forma el cálculo de la profundidad depende solo de la velocidad correspondiente al recubrimiento (v 1) y de los tres tiempos de recorrido.
Si v2 > 3×v1 se obtiene un valor para hc con un error menor a 6%. 1 ×
(tCA + tCB - t AB)', si las
siguientes condiciones están cumplidas:
El recubrimiento debe ser homogéneo.
La profundidad del lecho rocoso varía solo suavemente (echado pequeño).
El contraste en las velocidades correspondientes al recubrimiento y al lecho rocoso es grande.
ii. La ausencia de refracción de alta velocidad siempre indica, que a profundidades someras menores a aproximadamente un tercio de la longitud del perfil de refracción no se encontrarán capas rocosas. iv.
Las velocidades de refracción correspondientes en roca intemperizada y capas rocosas cubiertas con suelo indican una roca fracturada si son menores de 2100 a 2400m/s.
Interpretación sísmica de refracción InterSism és un programa que permite seguir el proceso de elaboración de una sección sísmica utilizando el método de refracción.
El programa permite gradualmente ejecutar cada fase de manera completamente automática, dejando la posibilidad de intervenir manualmente para garantizar un completo control del proceso de cálculo. El programa InterSism extrae los datos de campo directamente de los ficheros con formato SEG2, SEGY, SU o permite de insertar directamente los valores de las Primeras Llegadas, requiriendo la entrada de algunos datos, por ejemplo la posición de los geófonos o de los disparos, no memorizados por el instrumento. La primera fase de los trabajos consiste en la determinación de las Primeras Llegadas, el programa utiliza de modo integrado diversas metodologías, de la cross-correlation a la wavelet-analysis, reiterando el proceso para refinar los resultados obtenidos con contínuos controles entre los tiempos identificados y aquellos derivados de la interpolación de los geófonos adyacentes. Las Primersa Llegadas pueden por lo tanto se verificadas y eventualmente corregidas manualmente operando directamente sobre la señal original.
La segunda fase consiste en el cálculo de las dromócronas; InterSism puede elaborar hasta nueve disparos, de estos tres internos, y utiliza un procedimiento de búsqueda de mínimos desarrollado de forma analítica que garantiza el
reconocimiento de las dromócronas que en valor absoluto presentan el mejor coeficiente de correlación con los tiempos de las primeras llegadas determinadas anteriormente.
Es importante subrallar que para poder ejecutar correctamente las succesivas fases del trabajo es indispensable que los disparos efectuados en los extremos contengan segmentos de domócronas relativas a todos los estratos atravesados. En la primera fase el programa trabaja en cada domócrona individual; en la hipótesi que el número de estratos sea el que escoja el usuario, y determina cada posible distribución de las distancias de cruce; después compara los resultados obtenidos para las distintas domócronas con el fin de identificar; entre todas las posibles convinaciones de los puntos de codo, aquella que minimiza las desviaciones cuadráticas medias de la velocidad de cada estrato, consiguiendo así asignar los segmentos de las domócronas a los refractores correctos. También en este caso es posible intevenir manualmente tanto en el número de estratos para cada diparo como en la posición de las distancias de cruce. Sucesivamente a la contrucción de las domócronas y a la determinación de la velocidad de propagación de la señal sísmica en los diferentes estratos de terreno, InterSism pasa a la aplicación del Método del Recíproco Generalizado (GRM) para la identificación de la geometría de los refractores: el programa utiliza un procedimiento automático que, partiendo de un valor de XY pre-establecido cero (con el que obtiene la función tiempo-profundidad convencional) y de la profundidad supuesta (calculada anteriormente debajo de cada geófono), experimenta diferentes valores XY con el fin de determinar la distancia XY óptima,
es decir, la distáncia por la cual los rayos directos e inversos emergen en proximidad del mismo punto del refractor. En el caso en que hayan sido sólo uno o dos disparos el programa utiliza, para determinar la geometría de los refractores, el método de tiempos interceptados.
Ventajas y desventajas de los Métodos de Refracción y Reflexión. En la página anterior, se intentó describir algunas de las ventajas y de las desventajas en los métodos sísmicos cuando son comparados con otros métodos geofísicos. Como los métodos eléctricos, los métodos sísmicos engloban un ancho rango de actividades y tales generalizaciones como esas hechas en páginas anteriores son peligrosas. Un mejor sentido para las inherentes fuerzas o debilidades de la metodología sísmica pueden ser obtenidas comparando y contrastando los dos métodos sísmicos predominantes, refracción y reflexión, uno al otro.
Refracción Ventaja
Desventaja
Reflexión Ventaja
Desventaja
Las observaciones
Porque muchas
generalmente
fuentes y
ocupan pocas
receptores pueden
fuentes y
ser usados para
receptores, así de
producir imágenes
está forma son mas
significantes del
baratos para
subsuelo de la
adquirir.
tierra, las observaciones de
reflexión sísmica pueden ser caras para adquirir. El proceso es
El proceso de la
pequeño al hacer
reflexión sísmica
observaciones de
puede tener ser
refracción con la
muy intenso en la
excepción de la
computadora,
escala de la traza o
requiriendo
el filtrado para
sofisticados
ayudar al proceso
equipos de
de obtener los
cómputo a un
tiempos de arribo
elevado nivel de
del movimiento
costo. Así que las
inicial.
observaciones del proceso de la reflexión sísmica son relativamente caras.
Puesto que una
Porque 1) Es
porción pequeña de
agobiadora la
la grabación del
cantidad de datos
movimiento del
colectados, 2) Las
suelo es usada, el
posibles
desarrollo de
complicaciones
modelos y la
impuestas por la
interpretación no es
propagación del
más difícil que
movimiento del
nuestro trabajo con
suelo a través del
otros prospectos
complejo subsuelo,
geofísicos.
3) Las complicaciones impuestas por alguna de las simplificaciones necesarias requeridas por el diseño del procesado de datos y 4) La interpretación de las observaciones de la reflexión sísmica. Todo esto requiere de más conocimientos específicos sobre el proceso. Las observaciones
Las observaciones
de refracción
sísmicas de
sísmica requieren
reflexión son
relativamente de
colectadas en
largos offsets
pequeños offsets
fuente-receptor
fuente-receptor.
(distancias entre la fuente y donde el movimiento del suelo es grabado, por el receptor). La refracción
Los métodos de
sísmica solo trabaja
reflexión sísmica
si la velocidad en la pueden trabajar sin que se propagan
importar como la
los movimientos a
velocidad a la cual
través de la Tierra
se propaga el
se incrementa con
movimiento a
la profundidad.
través de la Tierra varíe con la profundidad.
Las Observaciones Las observaciones de la Refracción
de Reflexión
sísmica son
sísmica pueden ser
generalmente
mas fácilmente
interpretadas en
interpretadas en
términos de capas.
términos de
Esas capas pueden geología compleja. tener buzamiento y topografía. Las observaciones
Las observaciones
de Refracción
de Reflexión
sísmica solo usa el
sísmica usan
tiempo de arribo del
totalmente el
movimiento del
campo de onda
suelo en las
reflejada (ejem. la
diferentes
historia de los
distancias desde la
tiempos de
fuente (ejem.
movimiento del
offsets)
suelo en las diferentes distancias entre la
fuente y el receptor) Una modelo del
El subsuelo es
subsuelo es
directamente
construido
representado
intentando
desde las
reproducir los
observaciones
tiempos de arribo
adquiridas.
observados. Como puedes observar en la lista anterior, las técnicas de reflexión tienen el potencial para ser más poderosas en términos de su habilidad para generar observaciones interpretables sobre estructuras geológicas complejas. Como se dijo antes, sin embargo, esto viene con un costo. Este costo es principalmente económico. Los prospectos de Reflexión son más caros para proceder que los prospectos de Refracción. Como una consecuencia, los interesados en ambiente e ingeniería optan por realizar prospectos de Refracción cuando es posible. Por otra mano, la industria del petróleo usa las técnicas de sísmica de Reflexión casi siempre excluyendo los demás métodos geofísicos. En este grupo de notas, consideramos únicamente los métodos de refracción.
Los procedimientos y cálculos de refracción sísmica El método de sísmica de refracción El método de sísmica de refracción usa una fuente de sonido (un martillo o una carga de pólvora negra), y una unidad de grabación (un sismógrafo), para calcular la sección entre la superficie y la roca del fondo. La sección sísmica ofrece:
El espesor de capas distintas dentro del material no-consolidado
La profundidad a la roca
El tipo de roca al fondo
La integridad de roca al fondo
El sismógrafo: Un sismógrafo digital fabricado por ABEM (una compañía de Atlas Copco), el fabricante Sueco de los instrumentos geofísicos. "MINILOC" es una grabadora sísmica digital portátil con 36 canales virtuales. Los intervalos de muestras: 0.1, 0.2, 0.4 msec. El número de muestras: 2048 Los convertidores A/D: 16 bits El rango de frecuencia: 2 - 1000 Hz. El tiempo de grabación: 200, 400, 800 msec. Los filtros "notch": 50, 60 Hz. Los filtros "low cut": nada, 35, 70, 105, 140, 175, 210, 245, 280 Hz. La impedancia de la entrada: 650 ohm. La línea y ubicación de geofonos Para un registro normal, hasta 30 m. de profundidad, los geofonos de frecuencia baja (14 + / - 0.7 Hz están dispuestos a lo largo de la línea de 108 metros con la
separación de 3 metros, y el desplazamiento de la fuente del sonido al geofono es 1.5 metro.. Las vibraciones se prueban cada 3 metros. Eso ofrece una resolución de 3 metros. La fuente de sonido, en una superficie sólida, es un martillo pesado con una almohadilla de caucho. Una escopeta sísmica, cargada con pólvora negra, se usa en una superficie suave. La preparación del terreno por hacer una sección sísmica La superficie, a lo largo de las secciones planeadas, tiene que ser aclarada de la vegetación. La anchura requerida es 1.5 m.. Un punto de la referencia topográfica debe ser proporcionado para atar las secciones a la red topográfica local. El procesamiento de los datos y las transformaciones matemáticas 1 /. Inicialmente, se asegura después la grabación que los registros son utilizables (sin los errores). 2 /. Después, el algoritmo del software, aprobado por el fabricante del instrumento sísmico, calcula la sección de distribución de las velocidades del sonido que corresponden al registro. Esto proceso es independiente del número de capas, y trace los cambios verticales / laterales de las velocidades del sonido. La sección final es el mejor modelo matemático, calculado por el algoritmo de optimización, que corresponde a cada registro. El resultado es una sección de distribución de las velocidades del sonido. Las velocidades bajas corresponden a una capa del mantillo. Las velocidades intermedias corresponden a una capa de arena / arena gruesa / grava, mientras las velocidades altas indican la roca del fondo. Para verificar la calidad de una sección de las velocidades, se calcula un mapa de confianza. Esto representa una proporción de pruebas por la unidad de superficie de la sección. Una proporción de probas alta aumenta el nivel de confianza. Se adapta la configuración de la serie de los geofonos para obtener, donde es
necesario, la alta proporción de probas. (Por ejemplo al fondo, el contacto con la roca)
La velocidad de la propagación del sonido Cada tipo de material tiene una específica velocidad de la propagación del sonido. Generalmente, el suelo está compuesto de tres tipos de material: la capa del mantillo encima, la capa de aluvión o eluvium saturada con el agua en el medio, y la roca al fondo. Las velocidades de la propagación del sonido y el error promedio de la profundidad Debido a los cambios laterales de la propagación del sonido en la capa del mantillo, un error afecta todas las estimaciones de profundidad. El perfil del contacto con la roca no es afectado o modificado; sólo la profundidad al contacto con la roca puede tener un error. Un algoritmo de optimización, independiente del numero de las capas, reduce este error a menos de 5%, pero esto involucra largo tiempo para procesamiento de los datos.
La calidad de las primeras llegadas En sísmica de refracción, se usan los tiempos de primeras llegadas. El ruido ambiental generado por una lluvia, un viento, un flujo de agua, una actividad humana / animal, o las líneas eléctricas de 50 o 60 Hz. disimulan las primeras llegadas generadas por las fuentes de sonido de baja energía. Los estudios sísmicos cerca de un río activo, o cerca de un camino frecuentemente usado, ponen más tiempo. Además, de usar filtros digitales, el operador revisa primeras llegadas y cualquier registro afectado es grabado de nuevo.
Una descarga del arma sísmica Los ejemplos de las secciones sísmicas en el Ecuador, América del Sur El ejemplo de una sección sísmica (la terraza aluvial de Río de Napo)
El ejemplo de dos secciones sísmicas consecutivas (la misma área)
Sísmica de refracción. Extrapolación a estudios geotécnicos en edificación. ANTECEDENTES: la sísmica de refracción es una técnica que se encuadra dentro de los
métodos de exploración geofísica y estudia la propagación en el terreno de ondas sísmicas producidas artificialmente, estableciendo su relación con la configuración geológica del subsuelo. Los métodos sísmicos se enmarcan dentro de los métodos indirectos de investigación, es decir, dentro de aquellos que se realizan sin necesidad de alterar el terreno y que por tanto tampoco permiten la observación directa de éste. Actualmente la sísmica de refracción es el método sísmico más empleado para el análisis de los terrenos, el otro método existente conocido como sísmica de reflexión suele utilizarse exclusivamente en investigaciones a gran profundidad, como por ejemplo en técnicas petroleras. Aunque no existe normativa al respecto, sí podemos encontrar ejemplos de caracterización del terreno atendiendo a la velocidad de propagación de las ondas elásticas en la actual norma sismorresistente NCSE-94 (art. 2.3.1 Clasificación del terreno), así como numerosa bibliografía que incluye tablas de velocidades para los diversos materiales, especialmente rocas donde más ha sido aplicada esta técnica.
BASES TEÓRICAS DEL MÉTODO: -Descripción del método El método sísmico consiste en la generación de un impulso elástico en la superficie y en el posterior análisis del movimiento en el suelo de la onda creada por ese impulso. Para el ensayo se utilizan las ondas P, primarias o longitudinales, que son aquellas en las que la dirección del movimiento coincide con la de propagación. El método de refracción sísmica se basa en que: a)
Según la naturaleza del terreno varía la transmisión –velocidad de propagación- de las ondas elásticas.
b)
Los contactos entre los estratos con diferente velocidad de transmisión de las ondas sísmicas, definen superficies de separación donde las ondas experimentan fenómenos de refracción. Esto permitirá determinar la profundidad a la que aparecen nuevas capas.
-Realización del ensayo: En el terreno a estudiar se realizan perfiles longitudinales sobre los que se colocan sensores espaciados entre sí una distancia conocida y generalmente regular. Estos sensores que se denominan geófonos llevan incorporados sismógrafos para registrar el movimiento y se pinchan sobre la tierra firme. Desde algunos puntos significativos del perfil se realiza un disparo, habitualmente mediante golpeo con un martillo de 8kg, y el impulso de éste llega a los sensores provocando una perturbación que se registra en el sismógrafo. La longitud de los perfiles suele situarse habitualmente entre 25 y 100m, con separación entre geófonos que no suele exceder los 5m, con objeto de garantizar el detalle de la investigación. Los puntos de golpeo suelen ser como mínimo tres en cada perfil, situados al inicio, mitad y final de éste. Si los perfiles exceden de longitudes de 60m, el número de puntos de golpeo es habitualmente de cinco.
La medida de los tiempos de llegada de las ondas elásticas a los geófonos proporciona el valor de la velocidad de propagación y el espesor de los distintos materiales atravesados. Analizando el caso de dos capas (fig 1): al producirse el disparo las ondas se transmitirán a través del terreno, una onda (rayo directo) irá por la superficie y llegará a los geófonos con velocidad V1. Otras después de recorrer la capa 1 con velocidad V1 se refractarán atravesando la capa inferior siguiendo la ley de Snell:
con ic ángulo incidente, e i r ángulo transmitido. Por último, ciertas ondas se refractarán en la superficie de separación de las dos capas, esto ocurre cuando se produce el fenómeno de refracción crítica o total, para lo cual es necesario que la velocidad de propagación aumente con la profundidad. En la fig. 2 para i r = 90º necesitamos el ángulo para el que se producirá la refracción crítica es i c= arcsen V1/V2).
Ahora bien, como cada punto alcanzado por una onda se puede considerar como centro emisor de ondas secundarias, habrá una onda secundaria que llegará a un punto de la superficie y será registrada por uno de los geófonos. Se mide el tiempo transcurrido entre el momento del disparo y la llegada de la primera perturbación a cada geófono. Las primeras en llegar son las ondas directas, sin embargo a partir de un punto (distancia crítica) llegan primero las ondas refractadas, es decir, las que circulan por los niveles inferiores del subsuelo. La mayor distancia recorrida por estas ondas es compensada por la mayor velocidad.
Figura 1. Técnica de sísmica de refracción en modelo de dos capas. Tras producirse el disparo unas ondas se desplazan directamente por la superficie ondas directas- mientras que otras atraviesan el terreno experimentando fenómenos de reflexión y refracción en las separaciones entre capas. Algunas de las ondas refractadas se mueven a través de la separación entre capas y vuelven a la superficie. A partir de cierta distancia las ondas refractadas llegan antes que las directas a los geófonos.
RESULTADOS DEL ENSAYO La velocidad de transmisión de ondas sísmicas es un buen indicador de las
características geotécnicas de los materiales. Son comunes en la bibliografía las tablas de velocidades de los diversos materiales rocosos, aunque se observa una importante dispersión en los valores de velocidad debido a la variabilidad de la composición litológica, o de la estructura interna, al porcentaje de poros o vacuolas y a la saturación en agua. A medida que los
materiales se degradan y aumenta el grado de alteración, la velocidad disminuye. Además de proporcionar información sobre la naturaleza del sustrato rocoso y
sus
cambios
laterales,
la
sísmica
de
refracción
permite
estimar
aproximadamente el modulo de elasticidad –a partir de fórmulas dinámicas en
función de la velocidad de propagación y del coeficiente de Poisson- de las formaciones investigadas, el grado de fracturación y la ripabilidad o facilidad de excavación. También proporcionan óptimos resultados a la hora de determinar la
profundidad del nivel freático , ya que dicho nivel constituye un refractor muy característico con velocidad de propagación de 1500m/s (velocidad de propagación del sonido en el agua).
VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL ENSAYO: VENTAJAS: -Generación de perfiles continuos frente a los tradicionales puntos de ensayo. -Pueden servir también para prever el comportamiento del terreno frente
al sismo. -Son técnicas indirectas y por tanto de carácter no destructivo.
INCONVENIENTES: -Los resultados pueden ser ambiguos, sin embargo se pueden combinar los resultados de diferentes métodos para reducir la ambigüedad. Las perforaciones pueden reducirse a tan sólo confirmar los resultados obtenidos, especialmente en los puntos de interés. -A la hora de caracterizar un sistema multicapa, es necesario que la velocidad de propagación de las ondas aumente con la profundidad, para que se produzca el fenómeno de refracción crítica y las primeras llegadas detectadas en la superficie del terreno contengan información sobre las características y profundidad a las que se encuentra el segundo estrato. Esto se traduce en que debe aumentar continuamente la rigidez de los estratos
con la profundidad. -Necesidad de mano de obra cualificada para trabajar con los equipos y
el software de interpretación de los ensayos.
CONCLUSIONES: Dichas técnicas más consolidadas en ingeniería civil, son aptas y utilizables dentro de los estudios geotécnicos de edificación, pero dado por un lado que no son métodos contrastados por la experiencia, al menos en el caso de los estudios geotécnicos para edificación y por otro que pueden contener ambigüedades en los resultados en ciertos casos, deben tratarse con
cautela y por tanto sería necesario que vinieran acompañados de otros ensayos comunes aceptados (sondeos o en su caso ensayos de penetración o calicatas) que complementaran o corroboraran los resultados.
Conclusiones La aplicación de la técnica de refracción por microtremor a los estudios geofísicos de caracterización del subsuelo para la ampliación las nuevas líneas · La técnica presenta una gran profundidad de penetración, alcanzándose profundidades de 90 m con 24 geófonos de 10 Hz, separación entre ellos de 5 m. · Es capaz de detectar inversiones de velocidad sísmica incluso a profundidades superiores a los 30 m. · La técnica es aplicable en hormigón, materiales saturados y rellenos, y resulta recomendable enriquecer la señal en altas frecuencias mediante el golpeo aleatorio con martillo para ganar resolución en los primeros metros. · Resuelve las investigaciones sísmicas en zona urbana, y tiene una clara aplicación a microzonificación sísmica.
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