MÉTODO SÍSMICO

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INGENIERÍA CIVIL 4° “B” PROF. DR. MARTIN HERNÁNDEZ MARÍN “MÉTODO SÍSMICO” JOSÉ ALBERTO CORONEL MÁRQUEZ HORACIO SALVADOR HERNÁNDEZ PANTOJA JORGE ALFONSO IBARRA LABRA OSCAR ROBERTO DE LOERA AGUILAR MARTES 26 DE NOVIEMBRE DE 2013 1

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INGENIERÍA CIVIL 4° “B”PROF. DR. MARTIN HERNÁNDEZ MARÍN

“MÉTODO SÍSMICO”

JOSÉ ALBERTO CORONEL MÁRQUEZ

HORACIO SALVADOR HERNÁNDEZ PANTOJA

JORGE ALFONSO IBARRA LABRA

OSCAR ROBERTO DE LOERA AGUILAR

MARTES 26 DE NOVIEMBRE DE 2013

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GEOLOGÍA

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ÍNDICE

MÉTODOS SÍSMICOS………………………………………………………………………………………….…3

REFRACCIÓN………………………………………………………………………….……….……………4

o APLICACIONES………………………………………………………………………………..8

REFLEXIÓN………………………………………………………………….………………………………..9

o APLICACIONES………………………………………………………………………………12

CONCLUSIONES…………………………………………………..……………………………………………….13

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MÉTODO SÍSMICOLos métodos sísmicos son un tipo de método geofísico, y constituyen pruebas realizadas para la determinación de las características geotécnicas de un terreno, como parte de las técnicas de reconocimiento de un reconocimiento geotécnico .

Las ondas sísmicas que atraviesan un terreno pueden ser:

Longitudinales o de compresión. Transversales o de cizallamiento. Superficiales.

La velocidad de propagación de las ondas sísmicas en el terreno depende de sus características de deformabilidad. En la hipótesis de suponer un comportamiento elástico para el terreno, la velocidad de las ondas longitudinales y transversales es función del módulo elástico y del coeficiente de Poisson (ambos dinámicos), por lo que con ambas expresiones pueden obtenerse dichos parámetros.

Las ondas longitudinales (Ondas P) son más rápidas que las transversales (Ondas S), lo que dificulta la detección de estas últimas en campo. Por ello, en general se obtiene el módulo elástico a partir de la velocidad longitudinal, estableciendo hipótesis respecto al valor del coeficiente de Pisson. El módulo dinámico tiene un valor mayor que el estático, ya que se obtiene para incrementos tensionales pequeños como son los producidos por ondas sísmicas. La relación entre el módulo dinámico y el estático se considera normalmente de 4, pero el rango puede estar entre 1 y 20.

U otra definición seria como el movimiento del suelo consecuente a un impulso elástico (originado tramite golpes en el suelo, vibraciones o explosivo) origina ondas acústicas que son registradas a través de geófonos conectados un sismógrafo multicanal. En cuanto a sísmica se refiere, existen dos metodologías principales:

- La Sísmica de Refracción, basada en la observación de los tiempos de llegada de los primeros movimientos del terreno en diversos sitios, generados por una fuente de energía específica en un sitio determinado. El conjunto de datos obtenido en la adquisición de datos consiste de registros de tiempo versus distancia. Estas series son interpretadas en términos de la profundidad a interfaces entre capas de suelo y de las velocidades de propagación de la onda P (o S) en cada capa. Estas velocidades están controladas por los parámetros elásticos que describen el material. - En la Sísmica de Reflexión, el análisis está basado en la energía de las vibraciones después de iniciado el movimiento del suelo. Específicamente el estudio se concentra en los movimientos del terreno inducidos por la reflexión de las ondas, en las diferentes interfaces de capas, que han sido generadas en un sitio específico. En la reflexión se extrae información del subsuelo estudiando la amplitud y forma de los movimientos del terreno.

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EL MÉTODO SÍSMICO DE REFRACCIÓN 

La prospección por refracción es un procedimiento de exploración geológica del subsuelo mediante ondas elásticas. Es un método relativamente barato, que proporciona información de propiedades físicas del subsuelo con aplicación en la construcción de obras civiles, evaluación de riesgo sísmico y localización de aguas subterráneas. Existe una demanda creciente de esta técnica debido al incremento en los costos de sondeos por perforación y a las nuevas regulaciones legales que exigen estudios geológicos previos a la construcción. En esta guía se expone el fundamento físico del método, su ubicación con relación a otras técnicas geofísicas, procedimientos prácticos de adquisición de datos y las fórmulas matemáticas para calcular velocidades y espesores de estratos del subsuelo.

Se basa, tanto en el hecho de la diferencia de velocidad de la onda sísmica en los distintos terrenos, como en que las ondas al cruzar la frontera entre dos tipos de terreno distinto sufren refracción, (al igual que sucede con las ondas de luz), cambiando su dirección en un ángulo cuyo valor depende de la relación entre las velocidades de onda de cada terreno.

El impulso generador de la onda puede ser un impacto o una pequeña carga explosiva que se coloca, generalmente, en un punto de la superficie. Mediante geófonos (que son detectores de pequeñas vibraciones en el terreno), dispuestos a distintas distancias del punto de impacto, se mide el momento en que llega la primera onda que alcanza a un determinado geófono. De esta forma se obtiene la velocidad de transmisión.

Cuando se produce el impulso, las ondas se emiten en todas direcciones. Una onda en particular recorre un camino por la superficie del terreno en dirección al geófono (onda directa). Otras ondas descienden con diversos ángulos respecto a la horizontal.

Al encontrar un estrato inferior con velocidades sísmicas, la onda se refracta en el plano de contacto entre ambos terrenos.

Existe una dirección de onda que al alcanzar el estrato inferior con un determinado ángulo de incidencia, su refracción se dirige por encima del estrato inferior paralelamente a la frontera entre terrenos. Esta onda, con su nueva dirección, continúa emitiendo energía hacia la superficie con un ángulo de refracción simétrico al de incidencia anterior, por lo que los geófonos pueden llegar a detectarla.

Si la velocidad sísmica del terreno inferior tiene un valor mayor que la del terreno superficial, el tiempo necesario para que la onda refractada alcance un punto de la superficie puede llegar a ser menor que el requerido por la onda directa que viaja superficialmente, aun cuando la longitud del camino sea mayor. Los geófonos cercanos al impulso reciben en primer lugar la onda directa, pero a los que se encuentran a una cierta distancia les alcanza antes la onda refractada.

EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO MEDIANTE ONDAS ELÁSTICAS

La prospección con métodos sísmicos consiste en explorar el subsuelo mediante ondas sísmicas. El método involucra un elemento generador de ondas sísmicas denominado fuente, un medio de propagación (rocas, aire, agua) y un elemento detector-registrador de las ondas denominado

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receptor. Analizando las ondas registradas se espera obtener información de las propiedades elásticas y morfológicas del medio de propagación.

El método de obtener información mediante ondas elásticas es utilizado por todos los animales que disponen de un sistema para producir sonidos y un sistema para detectarlas (sistema auditivo). Los más parecidos a los utilizados en prospección sísmica son los sistemas de eco localización o reflexión de ondas de los murciélagos y guácharos en el aire y el de los delfines en el agua.

Producto de la tecnología humana son los eco sonogramas usados principalmente para observar el feto en el vientre materno, los métodos ultrasónicos para detectar fisuramientos y puntos de debilidad en piezas mecánicas y el sonar usado para determinar la profundidad del fondo marino, localizar submarinos y bancos de peces.

Las ondas elásticas que se propagan por el aire y el agua son más conocidas como “ondas acústicas u ondas sónicas” (sean o no audibles por el ser humano) y las que se propagan por el subsuelo se conocen como “ondas sísmicas”; sin embargo, desde el punto de vista físico no se diferencian.

La energía de deformación elástica liberada por una fuente sísmica se propaga por el subsuelo mediante ondas. Pero estas ondas adoptan diversas características. Según el espacio en que se propagan existen ondas superficiales y ondas de cuerpo. Las ondas superficiales sólo se originan y propagan cerca de la superficie entre dos medios con propiedades elásticas distintas. Las más importantes son las que se propagan cerca de la superficie del suelo y entre las que se cuentan las ondas Rayleigh y las ondas Love. Estas son las ondas que más daño causan durante los terremotos y también las que mayores problemas causan en los registros de prospección sísmica por reflexión, porque debido a su gran amplitud ocultan las débiles reflexiones en las capas a mayor profundidad. Las ondas de cuerpo se propagan a través de todo el volumen de material elástico. Cuando el material del subsuelo es isótropo sólo pueden propagarse dos tipos de ondas de cuerpo: las ondas P y las ondas S.

Las ondas P, también se conocen como ondas primarias, ondas irrotacionales u ondas compresionales. Como ellas presentan siempre mayor velocidad que las ondas S y que las ondas superficiales, son siempre las primeras en llegar a cualquier distancia de la fuente. En materiales isótropos las ondas P se caracterizan porque el movimiento de las partículas del suelo al paso de la onda sigue la misma dirección en que esta se propaga.

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Las ondas S, también se conocen como ondas secundarias, ondas de corte u ondas equi voluminales. Siempre tienen menor velocidad que las ondas P y las partículas del suelo se mueven en una dirección ortogonal a la dirección en que se propaga la onda.

Las ondas S se pueden descomponer en dos componentes vectoriales: ondas SV en las que el movimiento ocurre enteramente en un plano vertical, y ondas SH en las que el movimiento ocurre en un plano horizontal.

Notar que la velocidad de propagación de ondas sísmicas es independiente de la potencia de la fuente y sólo depende de las propiedades del material por el que viajan. Esto simplifica la caracterización de los estratos geológicos del subsuelo por sus velocidades. En cambio, la amplitud del movimiento del terreno al paso de una onda sísmica si depende de la potencia de la fuente y también de otros factores como la distancia a la fuente y de las propiedades de atenuación de los materiales atravesados.

A efectos prácticos de la prospección sísmica las ondas S no se transmiten en el agua ni en el aire, porque el módulo de rigidez de los mismos es muy pequeño y la atenuación de las ondas es muy grande.

Las rocas y sedimentos no suelen ser materiales homogéneos, sino que son agregados de diferentes minerales, con espacios porosos de forma variable, llenos de fluidos como agua o aire, fracturas y micro fracturas de diversas formas y orientaciones. Por ello, las fórmulas anteriores para calcular las velocidades de onda P y S no son exactas en rocas ni en sedimentos. Lo mejor que se dispone es una gran variedad de fórmulas semi empíricas para calcular velocidades, en las que se toma en cuenta los parámetros elásticos de la matriz y de los fluidos, la porosidad, etc.

En general se cumple, con excepciones, que los valores de velocidad son mayores (Mooney, 1977):

· En rocas ígneas básicas que en rocas ígneas ácidas

· En rocas ígneas que en rocas sedimentarias

· En sedimentos consolidados que en no consolidados

· En sedimentos no consolidados saturados que en sedimentos no consolidados secos

· En suelos húmedos que en suelos secos

· En carbonatos que en areniscas

· En areniscas que en lutitas

· En rocas sólidas que en rocas fracturadas o con diaclasas

· En rocas inalteradas que en rocas meteorizadas

· En rocas densas que en rocas livianas

· En rocas viejas que en rocas jóvenes

Los sedimentos presentan casi siempre velocidades inferiores a 2000 m/s. Las areniscas y lutitas velocidades entre

1000 y 3000 m/s. Las rocas ígneas y metamórficas velocidades superiores a los 3500 m/s. Las velocidades típicas de onda

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P de algunos materiales son:

Material Velocidad (m/s)

agua 1475 aire 350 arena 1400-2500 arcilla 900-2500 carbón 1500-2500 lutita 2000-3900 arenisca 1800-4200 caliza 3000-5000 gneis 3500-5000 esquisto 3000-4500 granito 4000-6000 gabro 6000

Generalmente, el primer estrato está constituido por roca meteorizada o por sedimentos transportados. Su velocidad suele estar entre 300 y 800 m/s y su espesor alrededor de los 5 m. Si el suelo está constituido por arena suelta, tal como arena de playa o médano (dunas), la velocidad de propagación puede ser inferior a la velocidad del sonido en el aire (350 m/s). Si en cambio, las arenas están saturadas de agua la velocidad puede ser inferior a la de propagación en el agua (1475 m/s).

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Se muestra el tendido de cables para la instalación de los geófonos.

Aplicaciones en la Ingeniería Civil

La aplicación más 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 útil 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.

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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.

EL MÉTODO SÍSMICO DE REFLEXIÓN El método sísmico de reflexión se basa en las reflexiones del frente de ondas sísmico sobre las distintas interfaces del subsuelo. Estas interfaces (reflectores) responden, al igual que en la refracción, a contrastes de impedancia que posteriormente se relacionaran con las distintas capas geológicas. Las reflexiones son detectadas por los receptores (geófonos) que se ubican en superficie y que están alineados con la fuente emisora. Dado que las distancias entre la fuente y los geófonos son pequeñas respecto a la profundidad de penetración que se alcanza, el dispositivo experimental soporta que se esté operando en "corto ángulo"; asegurando así la obtención de reflexiones y, distinguiéndose de la sísmica de refracción o de "gran ángulo".

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Esquema básico de la emisión y recepción de los rayos reflectados en las distintas capas reflectoras.

Con el fin de conseguir un mejor reconocimiento de la zona de estudio, se realiza un número de disparos mayor y se aumenta la cantidad de geófonos en comparación con los empleados en un perfil de refracción de longitud equivalente. El resultado es un grupo de trazas sísmicas procedentes de todos los tiros que se analizan, se procesan y luego se reordenan en conjuntos de “puntos reflectores comunes” (CMP), los cuales contienen la información de todas las reflexiones halladas. Una vez todas las trazas de un mismo CMP se han agrupado, se suman y se obtiene una traza CMP. El conjunto de todas las trazas CMP constituye la denominada sección sísmica de reflexión que es el resultado final de este método. Una sección sísmica es una imagen del subsuelo en donde las reflexiones se ven en forma de lóbulos negros de mayor amplitud y definen las capas reflectoras que después se asociarán a las estructuras geológicas.

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(a) Esquema del recorrido de los rayos reflejados en tres capas para una posición de tiro y dos estaciones receptoras (geófonos). Debido a la ecuación de propagación, las reflexiones quedan marcadas en el registro sísmico como trayectorias hiperbólicas.

(b) Una vez todas las reflexiones de un mismo CDP se han agrupado, se suman y se obtiene una traza CDP.

(c) Las trazas CDP proporcionan la imagen sísmica del terreno, llamada sección sísmica

El tratamiento de los datos en sísmica de reflexión es más laborioso y delicado que el procesado de refracción; donde uno de los retos más importantes es conseguir aislar de los registros las reflexiones, eliminando las otras ondas (onda directa, refracciones, ruido, etc.). Esta tarea implica

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la aplicación de tratamientos multiseñal (filtros, deconvoluciones, etc.) que, si no se hacen cuidadosamente, pueden crear artefactos y confundirse con falsos reflectores. Otro punto conflictivo del procesado es que en las secciones sísmicas de reflexión las capas reflectoras están en modo tiempo doble debido a que cada rayo reflejado ha hecho el viaje de ida (incidencia) y vuelta (rebote). A los interpretes que están acostumbrados a trabajar con secciones sísmicas les es fácil pasar mentalmente del tiempo doble en donde se detecta un reflector a la profundidad que le tocaría (profundidad equivalente), pero en muchos casos se facilita esta tarea automáticamente y se presentan las secciones sísmicas de reflexión convertidas a una profundidad aproximada. Este método es una de las técnicas de prospección geofísica más utilizada debido a que su resultado es una imagen denominada sección sísmica en donde se aprecia la geometría de las estructuras geológicas.

Sección sísmica obtenida mediante el método de reflexión. El objetivo fundamental de este método es describir la estratigrafía del subsuelo estudiado.

Combinación de una sección sísmica (reflexión) con su correspondiente perfil sísmico de refracción. Nótese como el campo de velocidades de la refracción ayuda a la interpretación

geológica de la sección a la vez que ha permitido su conversión a profundidad.

Aplicaciones De La Reflexión Sísmica

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El objetivo básico de la sísmica de reflexión es obtener información sobre la arquitectura interna del subsuelo, deducir información (pe. propiedades mecánicas) acerca de las estructuras (rocas) en profundidad, especialmente de las distintas capas que lo constituyen, a partir de los tiempos de llegada de las ondas y extraer una imagen que lo represente. También es posible obtener información de las amplitudes y frecuencias de éstas ondas.

La sísmica de reflexión tuvo su gran auge en la exploración petrolera, donde se aplicó en la búsqueda de reservorios de gas y petróleo. Sin embrago, a partir de los años 90 empezó a extenderse a aplicaciones más superficiales, en donde se combina con la sísmica de refracción de alta resolución, lográndose así expandir su campo de acción hacia los problemas relacionados con la ingeniería geológica.

•Secciones del terreno para recursos energéticos (fuel, gas, sal, minería)

•Estratigrafía en profundidad (determinación de la geometría del terreno)

•Fracturación del terreno y localización de fallas

•Determinación de la calidad de la roca mediante análisis de la velocidad de onda reflejada

•Estudios estructurales para minería, túneles, presas, acuíferos.

Conclusión Horacio Salvador Hernández Pantoja

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Yo pienso que este tipo de sistema sirve mucho para la construcción, ya que por medio de estos medios podemos determinar amplitud de estratos, ya que si tenemos una capa de arcilla y queremos hacer alguna edificación podemos determinar el volumen a excavar o el tipo de cimentación a usar en el terreno. También se saber si el volumen existente de material para la construcción para conocer si es viable explotar el banco o no es

Conclusión Oscar Roberto De Loera Aguilar

Al realizar este trabajo me pude dar cuenta de la importancia que tiene el método sísmico en muchas labores que hacen que nuestra vida sea posible día con día. Una de las aplicaciones más importantes del método símico es en la industria pétrea, ya que este método permite el estudio del subsuelo encontrando así posible depósitos de petróleo. También la geotecnia es una de las ramas donde el método sísmico es muy importante ya que nos ayuda a estudiar los suelos y hacer estudios de cómo podrían impactar un sismo sobre dicha región.

En general el método sísmico es muy empleando, con el tiempo ha ido cambiando algunas cosas pero la noción fundamental del proceso se conserva, que es producción de ondas que viajan y en un momento regresan para así poder determinar el tiempo que tardan en regresar.

Conclusión José Alberto Coronel Márquez

Este temo resulto lo esperado y planeado, ya que este tema explica claramente como conocer el subsuelo, tanto como el material, dimensiones de sus capas, algunas fallas, entre otras características, aprendiendo de los procedimientos empleados para este método pude analizar los alcances y el control que tienen los explosivos por ejemplo como experimentación, la transmisión de ondas mecánicas a través del suelo, y también como la tecnología juega una parte importante en este método con los receptores y el tratamiento de los datos obtenidos, en fin, la elaboración y explicación clara de este tema nos dio el vasto conocimiento para con la ayuda del profesor fuera claramente entendido por el resto del grupo.

Conclusión Jorge Alfonso Ibarra Labra

Cumplió con el objetivo que era conocer el método sísmico para conocer, identificar y dar una idea más acercada de que es lo que está debajo del suelo. En lo personal aprendí mucho de esto, ya que no sabía cómo realmente se trabajaba para realizar estos estudios. Comprendí muchas cosas que ignoraba o más bien no le prestaba atención, como la realización de las ondas, ya vi que se pueden crear mediante explosiones, vibraciones y golpes. Fue una práctica muy enriquecedora, tanto para nuestro equipó que expuso, como para el grupo, ya que juntos y con ayuda del maestro ampliamos nuestro conocimiento del tema.

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