El método de las ondas sísmicas

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Refracción sísmica

Desarrollo

Recordatorio

Reflexión: cambio de dirección de una onda, cuando se encuentra con un obstáculo estando en un mismo medio. Se cumple que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión: i = r

Refracción: cambio de dirección y velocidad de una onda, cuando ésta pasa de un medio a otro. Se cumple la Ley de Snell:

oAAAAASUVORK5CYII=             v1= velocidad en el medio 1;       V2= velocidad en el medio 2

Ondas volumétricas: se transmiten a través del material pudiendo sufrir en su tránsito procesos de refracción y reflexión.

  • Ondas P: Ondas Primarias. Son las más veloces. Se propagan por todos los medios. El movimiento de vibración de las partículas es paralelo a la dirección de propagación, lo que implica mayor velocidad.
  • Ondas S: Ondas Secundarias. Son las segundas en llegar a los sismógrafos. Dependen de la elasticidad de las rocas, sólo se propagan por medios sólidos. El movimiento de vibración de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación, lo cual supone un mayor recorrido (menor velocidad).

Ondas superficiales: se transmiten por la superficie con mínima penetración en el material. Aunque llegan después de las ondas volumétricas, son casi enteramente responsables de los daños (sismos y terremotos)

  • Ondas R: viajan a lo largo de la superficie con un movimiento de partícula que elíptico retrógrado, es decir, las partículas del material se mueven describiendo una elipse en dirección opuesta a la dirección de propagación de la energía. 
  • Ondas L: son ondas superficiales que producen un movimiento horizontal de corte en superficie. La velocidad de las ondas L es un 90% de la velocidad de las ondas S y es ligeramente superior a la velocidad de las ondas R. Estas ondas solo se propagan por las superficies.

Métodos Sísmicos


Cuando una onda sísmica encuentra un cambio en las propiedades elásticas del material, como es el caso de una interface entre dos capas geológicas; parte de la energía continúa en el mismo medio (onda incidente), parte se refleja (ondas reflejadas) y el resto se transmite al otro medio (ondas refractadas) con cambios en la dirección de propagación, en la velocidad y en el modo de vibración 

Reflexión sísmica:


Este método se basa en las ondas sísmicas sobre los distintos estratos del subsuelo. Las reflexiones son captadas por los receptores (geófonos), que se ubican en la superficie y que están alineados con la fuente emisora. Debido a que las distancias entre la fuente y los geófonos son pequeñas con respecto a la profundidad de penetración que alcanza, el dispositivo experimental soporta que se esté operando en “cortoángulo”; asegurando así la obtención de reflexiones, y distinguíéndose de la refracción sísmica, o sísmica de “gran ángulo”.

Refracción sísmica:


Es una técnica que se encuentra dentro de los métodos de exploración geofísica, y estudia la propagación de ondas sísmicas producidas en forma artificial, para establecer su relación con la configuración geológica del subsuelo. El ensayo de refracción sísmica permite explorar en forma económica grandes áreas, y permite obtener con relativa precisión los espesores de los estratos y las velocidades de onda P y S. Resulta muy útil para investigar las propiedades del terreno, estudio de capas aluviales, deslizamientos, compacidad del subsuelo, definir el tipo de fundación a utilizar y su dimensionamiento, determinación del nivel freático, etc.

Equipo


Geófonos: Son los sensores o receptores que transforman los movimientos sísmicos del suelo, a señales eléctricas

Cable de conexiones (sismógrafo-geófono): Es el cable que transporta las señales eléctricas transformadas por los geófonos.

Sismógrafo: Cumple la función de recibir los impulsos eléctricos de los geófonos, amplificarlos y convertirlos de señales analógicas, a señales digitales, que es la forma en que se almacenan los datos sísmicos.

Amplificadores sísmicos: son de diseño muy variado, pero todos tienen como carácterística la alta fidelidad a las bajas frecuencias, ya que el rango de las señales sísmicas se encuentran entre 2 y 200 ciclos por segundo.

Fuente de energía sísmica: Considerando la gran variación de constantes eléctricas que pueden presentar los distintos tipos de suelos, y estructuras geológicas del suelo, la energía sísmica necesaria para obtener información del subsuelo puede ser muy grande, cuanto más profunda sea la capa, y a medida que aumente el número de cambios de medios elásticos, la energía capaz de regresar a la superficie y ser detectada por los geófonos disminuye rápidamente.

Sistema de disparo: Consiste en el envío de una señal a la unidad de recepción de datos, mediante el cierre o apertura del circuito entre la fuente de energía y la unidad de adquisición de datos, al momento del impacto o explosión, para que éste de inicio a la toma de datos (t=0), y registro de las ondas sísmicas.

Método


Norma ASTM D-5777

El método consiste en la medición del tiempo de viaje de la primera onda detectada (onda P) en una serie de puntos separados a intervalos regulares a lo largo de una línea de referencia ubicada sobre la superficie de la tierra (línea de refracción). En cada punto de la línea se encuentra un geófono. Las ondas detectadas en cada geófono son originadas a partir de una fuente de energía de tipo impulsiva (golpe con martillo o explosión), en una ubicación estratégica (punto de disparo). La longitud de los perfiles suele ser entre 25 y 100 m, y una profundidad que oscila entre 10m y 20 m, pudiendo llegar entre 100m y 200m. La separación entre geófonos no suele superar los 5 m (para garantizar el detalle). Los puntos de golpeo suelen ser mínimo 3 en cada perfil (inicio, mitad, final).  Si los perfiles exceden los 60 m, el número de puntos suele ser 5.

Posteriormente, los datos obtenidos son recolectaos, visualizados y almacenados por un equipo de adquisición de datos (sismógrafo, batería, computador portátil)

Los contactos entre los estratos con diferente velocidad de transmisión de ondas sísmicas, definen superficies de separación donde las ondas experimentan refracción. Esto permite determinar la profundidad a la que aparecen nuevas capas.

Cálculos:


Se realizan a partir de la gráfica tiempo vs distancia (emisor-geófono) (Curva democrónica). Esta curva normalmente está formada por segmentos de rectas, (correspondientes a las distintas capas del subsuelo), los cuales tienen una gradiente inversamente proporcional a la velocidad del medio.

Caso 2 estratos:

ADUZMp51GD06cAAAAASUVORK5CYII=                   H= espesor de cada estrato

                                               Xc= distancia horizontal correspondiente al cambio de velocidad en la gráfica.

                                               V1 y v2= velocidades de propagación en las diferentes capas del suelo.

Caso estratos múltiples:


De acuerdo a las velocidades obtenidas, las capas del subsuelo pueden clasificarse de acuerdo a diversas tablas.

Limitaciones:

Para que exista refracción de ondas, la velocidad de propagación debe ser estrictamente creciente con la profundidad. En casos de suelos con capas intermedias de menor velocidad, el método no las visualizará (capa ciega).

Requiere disponer de zonas con suficiente extensión, ya que la longitud del tendido de superficie está directamente relacionado con la profundidad de alcance.  Esta profundidad está condicionada al tipo de fuente empleada (martillo alcanza profundidad de 30-50 m)

Ventajas:

Permite generar perfiles continuos frente a los puntos de ensayo.

Pueden servir para prever el comportamiento del terreno frente a un sismo.

Por ser una técnica indirecta, es de carácter no destructivo.

Costos aproximados:


Según investigaciones realizadas, un perfil de estudio de refracción sísmica de 80 a 100 metros de longitud tiene un valor aproximado de $1.5 millones, por lo que el metro lineal bordearía los $16.000.-. Los montos pueden variar bastantes según las condiciones de trabajo (tipo de suelo, desniveles, profundidad del estudio, condiciones climáticas, entre otros.), por lo que no se puede establecer un monto exacto del costo, pero si sirve para tener una referencia. 

Síntesis:


Básicamente la sísmica de refracción consiste en medir el tiempo de viaje de las ondas compresionales entre una fuente explosiva o productora de ondas y una serie de detectores en línea. Conociendo la geometría de la ubicación de los detectores o geófonos y el tiempo que las señales tarden en llegar a ellos, se determina la velocidad de propagación de las ondas sísmicas de ellos. Este último parámetro se asocia al tipo de material y la calidad del mismo.

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