La sísmica de refracción realizó grandes aportes 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.
Descripción de tipo general
Dentro de los métodos sísmicos de la geofísica aplicada se encuentran los de refracción y reflexión sísmica. En estos métodos se mide el tiempo de propagación de las ondas elásticas, transcurrido entre un sitio donde se generan ondas sísmicas y la llegada de estas a diferentes puntos de observación. Para esto se disponen una serie de sensores en línea recta a distancias conocidas, formando lo que se conoce como tendido sísmico o línea de refracción - o reflexión sísmica.
A una distancia conocida del extremo del tendido, en el punto de disparo, se generan ondas sísmicas, con la ayuda de un martillo o la detonación de explosivos, los cuales inducen vibraciones en el terreno que son detectadas por cada uno de los sensores del tendido.
El equipo básico consiste de los sensores, la unidad de adquisición de datos, en donde se almacenan los movimientos del terreno detectados por cada sensor, los cables de conexión entre los sensores y la unidad de adquisición, el cable del trigger, que se encarga de marcar el momento de inicio de registro en la unidad de adquisición.
Los registros de cada sensor tienen información de los movimientos del terreno en función del tiempo y son conocidos como sismogramas. Estos son analizados en la refracción sísmica para obtener el tiempo de llegada de las primeras ondas de cada sensor desde el punto de disparo, y en la reflexión para obtener información de las ondas que son reflejadas en las diferentes interfaces de suelo, para lo cual es estudiado el sismograma completo.
Una de las aplicaciones del método de refracción sísmica en la ingeniería civil es la determinación de la profundidad al basamento.
Aplicaciones en la Ingeniería Civil
La aplicación mas común de la refracción sísmica en la ingeniería civil es para la determinación de la profundidad a basamento den los proyectos de construcción de represas y grandes hidroeléctricas, y para la determinación de las condiciones (meteorización, fracturación) y competencia de la roca en donde se asentarán las estructuras, así como por donde se realizarán los túneles. También es muy util para detección de fallas geológicas.
En el caso de contextos urbanos la refracción resulta útil para la determinación de la profundidad a basamento y el perfil de velocidades de onda P y S; y para la extrapolación lateral de perforaciones puntuales de suelos.
El método utiliza la llegada de las primeras ondas a los geófonos, ondas P, pero como también las llegadas de las ondas S, de tal manera que se puede determinar la relación de Poisson y otros módulos dinámicos.
Alcances y limitaciones del método.
En términos de la Ingeniería Civil, y el estudio dinámico de los suelos los alcances y limitaciones del método serían los siguientes:
Alcances.
* Detecta variaciones tanto en profundidad con en la horizontal de la velocidad de la onda P y de la onda S.
* Permite la detección de la profundidad a basamento y de su relieve. dependiendo de variables como longitud del tendido, energía de la fuente sísmica, velocidades de los suelos.
Limitaciones.
* Sólo funciona cuando la velocidad de propagación de las ondas aumenta con la profundidad. En el caso de suelos con capas intermedias de menor velocidad el método arrojaría resultados erróneos.
* Para el caso de aplicaciones urbanas de la Ingeniería Civil, el Método de Refracción Sísmica está limitado por la disponibilidad de zonas descubiertas con suficiente extensión. La longitud del tendido en superficie está directamente relacionada con el alcance de la exploración en profundidad.
PROPAGACIÓN Y TRAYECTORIA DE LAS ONDAS
Cuando se generan ondas sísmicas, a partir de golpes con una mandarria, martillo (combo) o con explosivos de pólvora, estás incluyen tanto ondas sísmicas internas, primarias y secundarias así como también ondas superficiales, Love y Rayleigh. Las ondas P, también conocidas como ondas longitudinales, son las de mayor interés en la refracción sísmica.
Las leyes que rigen la propagación y la trayectoria de las ondas sísmicas en la refracción, son las mismas que se utilizan en óptica:
1.- Principio de Huygens.
2.- Principio de Fermat.
3.- Ley de Refracción de Snell.
Ley de refracción.
Como consecuencia del Principio de Huygens y/o del principio de Fermat, la Ley de refracción dice que el seno del ángulo incidente es al seno del ángulo de refracción como la velocidad de la onda incidente es a la velocidad de la correspondiente onda refractada.
Para explicar la trayectoria de las ondas en el método de la refracción sísmica, consideremos un medio, con velocidad C1, que suprayace un medio semi-infinito, con velocidad C2, mayor que C1. Una vez que se han generado las ondas en el punto de disparo, éstas empiezan a viajar por el medio superior conformando unos frentes de onda en el espacio.
Al hacer un corte vertical por el punto de disparo, el frente de ondas luciría como se ilustra en la Figura 2a. Dicho frente se conoce como frente de ondas directas. En la parte b) de la Figura 2 el frente de ondas se ha encontrado con el límite de medios y ocurren las primeras refracciones hacia la capa inferior. En la parte c), ha pasado mas tiempo y se puede observar claramente 3 frentes de onda:
1.- Ondas directas
2.- Ondas refractadas
3.- Reflejadas hacia la capa superior
Al observar en detalle puede identificarse un cuarto frente de ondas. El frente de ondas refractado hacia la capa inferior, no tiene una curvatura constante, de tal manera, que corresponde a dos frente de onda, el que se refracta hacia abajo, y el que se refracta hacia la capa superior. Como se puede observar, este frente de ondas está mas alejado del punto de disparo que el frente de ondas directas en la primera capa, por lo que llegará mas rápido a los geófonos donde aún no había llegado el frente de ondas directas.
En la parte d), de la figura, ha pasado aún mas tiempo desde el momento de disparo, y los 4 frentes de onda se diferencian claramente.
El frente de ondas refractadas hacia el medio superior se genera cuando los rayos provenientes de la fuente alcanzan el ángulo crítico, ic, la interfaz entre los medios. Debemos recordar que el ángulo refractado tiene 90° con respecto a la normal, de tal manera que el sen(i2) = sen(90) = 1.
Fenómenos en la propagación.
Cuando el medio en que se propagan las ondas sísmicas no es homogéneo, se producen los fenómenos de difracción, dispersión y scattering.
Difracción: Desvío de los rayos, en cierta extensión, ocurre cuando se limita parte del frente de ondas.
Dispersión: Es la variación de la velocidad de una onda con el cambio de frecuencia. En un medio elástico homogéneo no hay dispersión, pero si la hay en un medio imperfectamente elástico como en la tierra. En refracción sísmica no hay evidencia de que exista dispersión apreciable, excepto cuando se usan explosivos en inmediaciones de la explosión.
Scattering: Corresponde a la formación de pequeñas ondas que propagan la energía en todas las direcciones. Se produce cuando un frente de ondas choca con partículas libres u objetos pequeños comparados con su longitud de onda. Este fenómeno no es mayor para frecuencias altas. Parte de lo que se considera "ruido" en un registro puede deberse a este fenómeno ya que produce energía distribuida al azar en superficie.
La disminución de la energía sísmica con la distancia, causada por los tres fenómenos explicados anteriormente, va acompañada de pérdidas debidas al absorción de la energía, produciendo amortiguamiento. Cuando el impulso sísmico viaja a través de las diferentes capas, las altas frecuencias son absorbidas mas rápidamente que las bajas frecuencias.
Descripción de tipo general
Dentro de los métodos sísmicos de la geofísica aplicada se encuentran los de refracción y reflexión sísmica. En estos métodos se mide el tiempo de propagación de las ondas elásticas, transcurrido entre un sitio donde se generan ondas sísmicas y la llegada de estas a diferentes puntos de observación. Para esto se disponen una serie de sensores en línea recta a distancias conocidas, formando lo que se conoce como tendido sísmico o línea de refracción - o reflexión sísmica.
A una distancia conocida del extremo del tendido, en el punto de disparo, se generan ondas sísmicas, con la ayuda de un martillo o la detonación de explosivos, los cuales inducen vibraciones en el terreno que son detectadas por cada uno de los sensores del tendido.
El equipo básico consiste de los sensores, la unidad de adquisición de datos, en donde se almacenan los movimientos del terreno detectados por cada sensor, los cables de conexión entre los sensores y la unidad de adquisición, el cable del trigger, que se encarga de marcar el momento de inicio de registro en la unidad de adquisición.
Los registros de cada sensor tienen información de los movimientos del terreno en función del tiempo y son conocidos como sismogramas. Estos son analizados en la refracción sísmica para obtener el tiempo de llegada de las primeras ondas de cada sensor desde el punto de disparo, y en la reflexión para obtener información de las ondas que son reflejadas en las diferentes interfaces de suelo, para lo cual es estudiado el sismograma completo.
Una de las aplicaciones del método de refracción sísmica en la ingeniería civil es la determinación de la profundidad al basamento.
Aplicaciones en la Ingeniería Civil
La aplicación mas común de la refracción sísmica en la ingeniería civil es para la determinación de la profundidad a basamento den los proyectos de construcción de represas y grandes hidroeléctricas, y para la determinación de las condiciones (meteorización, fracturación) y competencia de la roca en donde se asentarán las estructuras, así como por donde se realizarán los túneles. También es muy util para detección de fallas geológicas.
En el caso de contextos urbanos la refracción resulta útil para la determinación de la profundidad a basamento y el perfil de velocidades de onda P y S; y para la extrapolación lateral de perforaciones puntuales de suelos.
El método utiliza la llegada de las primeras ondas a los geófonos, ondas P, pero como también las llegadas de las ondas S, de tal manera que se puede determinar la relación de Poisson y otros módulos dinámicos.
Alcances y limitaciones del método.
En términos de la Ingeniería Civil, y el estudio dinámico de los suelos los alcances y limitaciones del método serían los siguientes:
Alcances.
* Detecta variaciones tanto en profundidad con en la horizontal de la velocidad de la onda P y de la onda S.
* Permite la detección de la profundidad a basamento y de su relieve. dependiendo de variables como longitud del tendido, energía de la fuente sísmica, velocidades de los suelos.
Limitaciones.
* Sólo funciona cuando la velocidad de propagación de las ondas aumenta con la profundidad. En el caso de suelos con capas intermedias de menor velocidad el método arrojaría resultados erróneos.
* Para el caso de aplicaciones urbanas de la Ingeniería Civil, el Método de Refracción Sísmica está limitado por la disponibilidad de zonas descubiertas con suficiente extensión. La longitud del tendido en superficie está directamente relacionada con el alcance de la exploración en profundidad.
PROPAGACIÓN Y TRAYECTORIA DE LAS ONDAS
Cuando se generan ondas sísmicas, a partir de golpes con una mandarria, martillo (combo) o con explosivos de pólvora, estás incluyen tanto ondas sísmicas internas, primarias y secundarias así como también ondas superficiales, Love y Rayleigh. Las ondas P, también conocidas como ondas longitudinales, son las de mayor interés en la refracción sísmica.
Las leyes que rigen la propagación y la trayectoria de las ondas sísmicas en la refracción, son las mismas que se utilizan en óptica:
1.- Principio de Huygens.
2.- Principio de Fermat.
3.- Ley de Refracción de Snell.
Ley de refracción.
Como consecuencia del Principio de Huygens y/o del principio de Fermat, la Ley de refracción dice que el seno del ángulo incidente es al seno del ángulo de refracción como la velocidad de la onda incidente es a la velocidad de la correspondiente onda refractada.
Para explicar la trayectoria de las ondas en el método de la refracción sísmica, consideremos un medio, con velocidad C1, que suprayace un medio semi-infinito, con velocidad C2, mayor que C1. Una vez que se han generado las ondas en el punto de disparo, éstas empiezan a viajar por el medio superior conformando unos frentes de onda en el espacio.
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| Figura 1: Modelo de dos capas, la inferior de mayor velocidad |
Al hacer un corte vertical por el punto de disparo, el frente de ondas luciría como se ilustra en la Figura 2a. Dicho frente se conoce como frente de ondas directas. En la parte b) de la Figura 2 el frente de ondas se ha encontrado con el límite de medios y ocurren las primeras refracciones hacia la capa inferior. En la parte c), ha pasado mas tiempo y se puede observar claramente 3 frentes de onda:
1.- Ondas directas
2.- Ondas refractadas
3.- Reflejadas hacia la capa superior
Al observar en detalle puede identificarse un cuarto frente de ondas. El frente de ondas refractado hacia la capa inferior, no tiene una curvatura constante, de tal manera, que corresponde a dos frente de onda, el que se refracta hacia abajo, y el que se refracta hacia la capa superior. Como se puede observar, este frente de ondas está mas alejado del punto de disparo que el frente de ondas directas en la primera capa, por lo que llegará mas rápido a los geófonos donde aún no había llegado el frente de ondas directas.
En la parte d), de la figura, ha pasado aún mas tiempo desde el momento de disparo, y los 4 frentes de onda se diferencian claramente.
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| Figura 2. Propagación de las ondas en un medio de dos capas |
El frente de ondas refractadas hacia el medio superior se genera cuando los rayos provenientes de la fuente alcanzan el ángulo crítico, ic, la interfaz entre los medios. Debemos recordar que el ángulo refractado tiene 90° con respecto a la normal, de tal manera que el sen(i2) = sen(90) = 1.
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| Ángulo crítico de refracción ic |
Cuando el medio en que se propagan las ondas sísmicas no es homogéneo, se producen los fenómenos de difracción, dispersión y scattering.
Difracción: Desvío de los rayos, en cierta extensión, ocurre cuando se limita parte del frente de ondas.
Dispersión: Es la variación de la velocidad de una onda con el cambio de frecuencia. En un medio elástico homogéneo no hay dispersión, pero si la hay en un medio imperfectamente elástico como en la tierra. En refracción sísmica no hay evidencia de que exista dispersión apreciable, excepto cuando se usan explosivos en inmediaciones de la explosión.
Scattering: Corresponde a la formación de pequeñas ondas que propagan la energía en todas las direcciones. Se produce cuando un frente de ondas choca con partículas libres u objetos pequeños comparados con su longitud de onda. Este fenómeno no es mayor para frecuencias altas. Parte de lo que se considera "ruido" en un registro puede deberse a este fenómeno ya que produce energía distribuida al azar en superficie.
La disminución de la energía sísmica con la distancia, causada por los tres fenómenos explicados anteriormente, va acompañada de pérdidas debidas al absorción de la energía, produciendo amortiguamiento. Cuando el impulso sísmico viaja a través de las diferentes capas, las altas frecuencias son absorbidas mas rápidamente que las bajas frecuencias.
Ingeniero, un cordial y caluroso saludo desde la ciudad de Armenia-Quindío-Colombia, lugar que fue golpeado por el sismo del año 1999. Me presento, mi nombre es Andres Felipe Abril, estudiante de la maestría en ingeniería con énfasis en ingeniería sísmica y estructural. Le quiero agradecer por ser un referente en todo el tema de sismica y sismologia, nos ha servido mucho su blog y su gran conocimiento en el tema. Actualmente me encuentro realizando mi trabajo de grado de maestría en el área de sísmica y me gustaría contar con su ayuda y gran conocimiento en esta hermosa área. Si quizas le interesa contactarme, a su red de linkedin le envié la solicitud y podriamos hablar por donde le quede mas comodo. De antemano mil gracias y un fuerte abrazo.
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