MÉTODOS DE EXPLORACIÓN GEOFÍSICA: ENSAYOS DE REFRACCIÓNSÍSMICA y DOWN-HOLE

Por: Dr. Ing. Zenón Aguilar Bardales *

INTRODUCCIÓN

Los requerimientos de diseño de estructuras importantes en áreas altamente sísmica como lanuestra, implican un conocimiento adecuado del comportamiento dinámico de los depósitos desuelos. Esto involucra la exploración de estratos relativamente profundos y de sus respectivosparámetros dinámicos, para así poder determinar su respuesta ante solicitaciones sísmicas. Ental sentido, los métodos de exploración geofísica, tales como los ensayos de refracción sísmica,medición de ondas P y S en pozos (down-hole), medición de microtrepidaciones, entre otros, sehan convertido en herramientas esenciales en los trabajos de exploración geotécnica de grandesy medianos proyectos de ingeniería.

El Ensayo de Refracción Sísmica permite explorar en forma rápida y económica grandesextensiones de terreno, con el cual se puede obtener con relativa precisión los espesores de losestratos en función de las velocidades de propagación de las ondas P, y de las ondas S enalgunos casos. Este método permite representar el perfil del subsuelo con resolución verticalrelativamente cruda, ya que no es posible diferenciar capas delgadas. En este ensayo se aceptacomo capacidad de detección mínima la de un horizonte con espesor no menor que la cuartaparte de la profundidad a que se encuentra su contacto superior. Esto es aceptable como formageneral de presentación de la estructura geológica del subsuelo, (Arce, 1990).

Si se cuenta con perforaciones realizadas para ensayos SPT o con pozos a tajo abierto, sepueden efectuar Ensayos Down Hole (medición de ondas P y S en pozos) mediante unasonda-geófono con sensores de tres componentes. Estos ensayos permiten determinar losparámetros dinámicos del suelo, como el módulo cortante a pequeñas deformaciones (rigidezinicial), el factor de amortiguamiento y las constantes elásticas dinámicas, que sonindispensables para determinar su respuesta dinámica. Alternativamente se pueden utilizar losmétodos Cross-Hole o Up-Hole, que permiten obtener los mismos parámetros, sin embargo susprocedimientos de ejecución son mas complicados y más costosos, lo cual hace que sean menosusados.

Dentro de los métodos de exploración geofísica, se ha venido utilizando también la técnica demedición de microtrepidaciones. Esta técnica convencionalmente ha sido usada paradeterminar el periodo de vibración natural de un estrato de suelo y también para estimar elfactor de amplificación sísmica que podría presentar dicho perfil ante una solicitación dinámica. Recientemente se ha desarrollado una nueva metodología que, mediante la mediciónsimultánea de microtrepidaciones en una arreglo espacial, permite también determinar el perfilsísmico del terreno. Esta metodología está siendo ampliamente usada por su versatilidad yfacilidad de operación, y además porque permite explorar profundidades relativamente grandessin mucha dificultad.

* Sub Director Académico del CISMID-FIC-UNI.

ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA

El Ensayo de Refracción Sísmica consiste en la medición de los tiempos de viaje de las ondascompresionales (ondas P), y algunas veces de las ondas de corte (ondas S), generada por unafuente de energía impulsiva a unos puntos localizados a diferentes distancias a lo largo de un ejesobre la superficie del suelo. La fuente de energía es generalmente una carga pequeña deexplosivo o un golpe de martillo. La energía es detectada, amplificada, y registrada de talmanera que puede determinarse su tiempo de arribo en cada punto. El instante del impacto oexplosión, "Tiempo cero", también es registrado conjuntamente con las vibraciones del sueloque arriban de los geófonos. Por lo tanto, en general, los datos consisten en tiempos de viaje ydistancias, siendo el tiempo de viaje el intervalo entre el "Tiempo cero" y el instante en que elgeófono empieza a responder a la perturbación.

Entonces, esta información tiempo - distancia es procesada para obtener una interpretación de laforma de velocidades de propagación de ondas y la estructura de los estratos del subsuelo.Todas las mediciones son efectuadas en la superficie del terreno, y la estructura del subsuelo esinferida de los métodos de interpretación basados en las leyes de propagación de ondas. Elfundamento teórico requerido para este ensayo se encuentra descrito en el Manual del Cuerpode Ingenieros del Ejército de EE.UU. (1979), Martínez (1990) y otros.

Este ensayo permite describir la estructura del subsuelo por medio de secciones con ladistribución de velocidades de ondas P y de potencias (espesores) y profundidades de horizonteselásticos (perfiles sísmicos); asímismo, detecta la posición de las zonas de debilidad (fallas ofracturas), oquedades, discontinuidad, etc. Colocando los geófonos en posición horizontal yrealizando los impactos de tal forma de generar predominantemente ondas de corte en lasuperficie del terreno, se pueden también determinar las velocidades de propagación de lasondas S; por lo tanto en algunas circunstancias este ensayo es utilizado también para determinarlas propiedades dinámicas del subsuelo.

EQUIPO E INSTRUMENTOS

El Laboratorio Geotécnico del CISMID posee un moderno sistema de adquisición de datos deprospección sísmica, GEODAS 10, compuesto de una unidad de amplificación y una unidad dealmacenamiento de datos conformado por una computadora portátil Pentium III con disco durode 12 GB. El sistema mejora los registros de campo en una forma fácilmente legiblereduciendo la relación señal-a-ruido con el proceso de superposición o almacenamiento deregistro múltiples. Las ondas sísmicas obtenidas son mostradas en una pantalla de cristal líquido(LCD) y son almacenadas en formato binario en el disco duro de la computadora, las quepueden ser exportadas a formato ASCII.

La unidad de Amplificación es un procesador digital de 24 bits y una tarjeta DAQ dedigitalización de 16 canales. Se cuenta también con 16 geófonos capaces de registrar el arribode ondas P y S, según se añada los dispositivos correspondientes. La longitud total del cable degeófonos es de 100 m, con intervalos máximos de 5 m entre geófonos y conectores en ambosextremos. La fuente de energía puede ser proporcionada por un martillo o por cargas pequeñasde explosivos, para lo cual se cuenta con los dispositivos necesarios para registrar el "TiempoCero".

PROCEDIMIENTO DEL TRABAJO DE CAMPO

El plan de trabajo de campo deberá ser definido anticipadamente de acuerdo a losrequerimientos del estudio a realizar, pues tanto la longitud de las líneas como el espaciamientode los geófonos dependerán de la profundidad de exploración requerida así como de laresolución deseada para la estratigrafía. Las condiciones topográficas y la accesibilidad de lazona en estudio deberán ser también consideradas en la elaboración del plan de trabajo.

El espaciamiento de los geófonos es determinado por el grado deseado para la definición de losestratos del subsuelo y por la longitud de cada línea de tendido. Si los estratos no son muypotentes y las líneas son cortas, los intervalos de los geófonos serán menores, y si los estratosdel subsuelo tienen mayor potencia y las líneas son largas, se necesitarán mayores intervalos delos geófonos. Un factor importante en la definición de la longitud de la línea es la profundidadde exploración deseada, pues debe tenerse en cuenta que existe una relación entre estas dosmagnitudes según la cual máxima profundidad alcanzada en un ensayo varía entre la tercera ycuarta parte de la longitud de la línea. Por otro lado, mientras mayor sea la longitud de la líneamayor será el espaciamiento entre geófonos y como consecuencia se tendrá una menorresolución de la estratigrafía, es decir los estratos de pequeños espesores no podrán serdetectados y solamente se obtendrán estratos promedios.

Existen dos tipos de fuentes de energía sísmica: Fuentes no-explosivas y Fuentes explosiva. Enel primer tipo, la energía es proporcionada por martillos, caída de pesos, etc. Lo máscomúnmente empleado son los martillos y caída de pesos, debido a su simplicidad yportabilidad. Estos pesos generalmente se dejan caer sobre placas de madera o metálicas, en lascuales se acondiciona un switch para determinar el tiempo de impacto (tiempo cero). Estasfuentes liberan relativamente poca energía, comparada con los explosivos, y las líneas deltendido están generalmete limitadas a longitudes de 50 y 100 metros (con profundidades deinvestigación hasta de 30 metros). Sin embargo, con el uso de geófonos altamente sensibles ytécnicas de mejoramiento de la señal, estos rangos de distancia y profundidad pueden serincrementados aproximadamente doble.

En el segundo tipo de fuentes explosivas, el comportamiento de los explosivos estácaracterizado básicamente por la resistencia (contenido de energía), densidad, y velocidad dedetonación. En la obtención de datos de ondas P para aplicaciones ingenieriles, el uso deexplosivos con los valores mas altos de resistencia, densidad y velocidad proporciona losmejores resultados y son utilizados extensivamente en trabajos de refracción sísmica.

Antes de realizar el impacto, se marcan las líneas de medición con estacas en los puntos dondese realizarán los impactos y en las localizaciones de los geófonos. Se determinan laselevaciones topográficas de cada uno estos puntos y se define el azimut de la línea. Para cadalínea se colocan los geófonos y se efectúan un mínimo de 4 impactos en cada posición. Seefectúan los impactos en ambos extremos de la línea para permitir la detección de buzamientosen los estratos del subsuelo y en el interior de la línea para minimizar el número de suposicionesrequeridas en la interpretación de los datos.

INTERPRETACION Y PROCESAMIENTO DE DATOS EN GABINETE

Si se asume un conjunto particular de condiciones del subsuelo, incluyendo espesores deestratos, geometría y velocidades, siempre se puede asumir un gráfico teórico de tiempo vs.distancia. Sin embargo, la inversa de este proceso no siempre es posible. Para un gráfico dadode tiempo vs. distancia, el interprete no puede inferir un conjunto único de condiciones delsubsuelo. Debido a esta dificultad, los métodos convencionales de interpretación confían en eluso de modelos idealizados e hipotéticos planteados en la Teoría de la Refracción Sísmica, talescomo el caso simple de los estratos con una interfase horizontal y la velocidad de propagaciónde ondas en el estrato superficial menor que la velocidad de propagación en el estrato inferior(V1 < V2), el caso de múltiples estratos con interfases horizontales y velocidades de propagaciónde ondas que se incrementan con la profundidad, o modelos más complicados que puedenincluir desalineamientos por fallas, estratos inclinados y semejantes. El modelo seleccionado esaquel cuyo gráfico hipotético tiempo-distancia más cercanamente corresponde a los datosobtenidos en campo.

a) Caso de dos estratos (Fig. 1): Para el caso de un sistema simple de dos estratos (mediosemi infinito que infrayace a un estrato simple de velocidad inferior y espesoruniforme), se puede deducir una expresión para evaluar el espesor del primer estrato enfunción de la distancia crítica y de las velocidades de las ondas en estos estratos,obteniéndose:

12

12C1 VV

VV

2

XD

+−

=

Figura 1.- Caso Simple de 2 estratos con límites

planos y paralelos, y curva tiempo-

distancia correspondiente.

V 2

DISPARO

F

E

D1 =

INTERSEPCION

Xc

2

V 2

V 2

- V 1

+ V 1

V1

TIEM

PO

1

TIEMPO DE

G

SenV 1

V 2=

H

D1

V

DISTANCIA CRITICA

DISTANCIA

T12

Xc

1

b) Caso de múltiples estratos (Fig. 2): Se asume que los estratos tienen límites planos yparalelos (incluyendo la superficie del terreno), las velocidades son uniformes dentro decada estrato, y las velocidades de los estratos se incrementan con la profundidad. Elgráfico tiempo-distancia posee segmentos de línea que corresponden a cada estrato ytienen una pendiente igual al recíproco de la velocidad del estrato. Cada interfase tieneuna distancia crítica y un correspondiente tiempo de intercepción. En la Fig. 2, lossubíndices, que identifican la distancia crítica y el tiempo de intercepción, indican elestrato que se encuentra inmediatamente debajo de la interfase.

En general, el cálculo de la potencia de cualquier estrato está dado por:

ó : VV

VV

VV

DVV2

VVTD 2

n2

1n

2j

21n

1n

1j j

nj2

n2

1n

1nn1n −

−

−

−=

+

+−

=+

++ ∑n

∑−

= +

++

+

++

−

−−−+

+−

=1n

1j22

1

221n

221nj

1

11n

VVD

2

XD

nn

jnjn

jnn

nncn

VV

VVVV

VVV

VV

Dado que las ecuaciones contienen los espesores de los estratos menos profundos, loscálculos comienzan con el primer estrato, avanzando progresivamente hacia abajo. Enla Tabla 1 se presenta un listado de las velocidades típicas de ondas longitudinales y decorte de varios tipos de suelos y rocas.

3 INTERSEPCION

V

V

TIEM

PO

V

V3

V4

1

2

1< V2 < V3 < V4

DISTANCIA

TT2

1/V1

XC2

TT3

lT2

XC3 XC4

1/V2

1/V3

lT

lT4

TIEMPOS DE

Esquema del Cso de Múltiples estratos

y curva tiempo-distancia correspondiente.

D3

D1

D2

Figura 2.-

1/V4

MEDICION DE ONDAS P Y S EN POZOS

La medición de la velocidad de propagación de ondas P y S en pozos, permite calcular larigidez inicial del suelo así como sus constantes elásticas dinámicas en la determinación de larespuesta dinámica del suelo.

( )( )( )σ−σ+

σ−×

ρ=

ρµ+λ

=211

1E2Vp

( ) ρ=

σ+×

ρ=

ρµ

=G

121E

Vs

donde:

λ y p = constantes de Lame,ρ = densidad del suelo, E = módulo de Young,σ = relación de Poisson, G = módulo de corte

Las constantes elásticas dinámicas σ, E y G se expresan así:

( )( )[ ]1VV2

2VV2

sp

2sp

−

−=σ 1

( )G12E σ+= 22sVG ρ= 3

Se estiman las características de amplificación del depósito del suelo por medio de la Teoría deReflexión Múltiple de las ondas S, las cuales son asumidas como similares a las característicasde amplificación del depósito durante la ocurrencia de un sismo.

PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO

Se describe el procedimiento del ensayo de medición de ondas P y S por el método "DownHole", que consiste en generar las ondas en la superficie del terreno y registrar las señales adiferentes profundidades.

El geófono es introducido al pozo suspendiéndolo del cable que transmitirá las señalesregistradas a la unidad de adquisición de datos. En la primera profundidad de interés el geófonoes fijado a las paredes del tubo con un pistón que es activado por una mini-compresora.Las ondas P son generadas golpeando verticalmente con un martillo una estaca fijada a lasuperficie del terreno. Las ondas S son generadas golpeando horizontalmente con un martillouna tabla de madera en uno de sus extremos. Tanto la estaca como la tabla deben ser colocadasa una distancia conocida del pozo (Fig. 3).Con la finalidad de obtener una buena señal y poder observar con claridad el tiempo de arribo

de las ondas generadas, se efectúan sucesivos golpes de generación de ondas hasta obtener unbuen registro.

Amplificador Registradorwooden

Cargaplank

Ondas S

Transductor de 3componentes

Martillo

rubbertube

Estaca

Ondas P

de datos

ReguladorCilindrode gas

Monitor

Figura 3.- Esquema del Ensayo de Medición en Pozos de Ondas P y S

ANALISIS DE LA INFORMACION

Las señales de las ondas P y S son almacenadas directamente en el disco duro de lacomputadora. Dichas señales pueden ser visualizadas en la pantalla y exportados a archivosASSCII. En la Fig. 4 se muestra un registro de ondas P y S obtenidos en un pozo de 21 metrosde profundidad, además se muestra las curvas tiempo-distancia obtenidas para estas ondas. Debido a que el punto de generación de las ondas no se encuentra justo en la parte superior delpozo se deben efectuar algunas correcciones al tiempo de llegada de las ondas.

13.0

14.0

15.016.0

17.0

18.0

19.020.021.022.0

(Ondas S)

15.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.012.0

Dep

th(m

)

16.0

17.0

18.0

19.020.021.022.0

0.00 0.04

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

13.0

14.0

Dep

th(m

)

0.0

1.0

0.00 0.02

0.240.16

(Ondas P)

0.12

Tiempo (Sec)

0.08 0.20

0.08Tiempo (Sec)

0.060.04 0.10 0.12

0.0

0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.120

Valor Observado

Valor Corregido

5.0

10.0

15.0

20.0

(ondas P)

0.0

0.020 0.040 0.060 0.080 0.120

Valor Observador

Valor Corregido

5.0

10.0

15.0

20.0

(ondas S)

Prof

undi

dad

(m)

Prof

undi

dad

(m)

100m/s120m/s

100m/s

180m/s

190m/s260 m/s

300 m/s

500 m/s

1080 m/s

1600 m/s

Travel - Time (sec)

Travel - Time (sec)

Registro de Ondas P y S Curvas Distancia - Tiempo

Fig. 4: Medición de Ondas P y S en pozos

Teniendo como base los puntos corregidos se trazan segmentos de recta, cuyas pendientes

indican las velocidades de propagación de las ondas en los estratos existentes en el pozo.

Finalmente, se grafica la distribución de las velocidades de propagación de las ondas,

conjuntamente con las constantes elásticas dinámicas para los diferentes estratos existentes, tal

como se muestra en la Fig. 5. Con esta información es posible analizar el comportamiento

dinámico del suelo ante solicitaciones externas, ya sea bajo pequeñas deformaciones como las

inducidas por cimentación de máquinas o a mayores deformaciones como en el caso de

ocurrencia de terremotos.

Vs=400Vp=1800

P.WARE Velocity (m/s)

S.WARE Velocity (m/s)

Velocidad (m/s)

Velocidad (m/s)Onda S

Profundidad

Tipo de Suelo

densidad (gr/cc)

grafico de

volcanic ash

Cenizavolcanica

volcánicaarcillosa

arcilla

limolita20

Ceniza

Clay

Mud-Stone 1.9

VolcanicAsh

Clayey 1.50

15

10

1.45

Vs=190

Vp=1080

Vp=500 Vs=185

5

Fill

1.40

0

Dencily(gr/cm3)

Soil Type

DEPTH(m)

Vs=100Vp=310

Vp=260

Vs=120

0

Graph of"N"

0

Vs=100

250 500

1000 2000

(cm)

N

Onda P

Relacion Modulo de

Ed = 1440

Ed = 1500

Ed = 1640

Ed = 9140

0.49

0.47 Gd = 3100

Gd = 550

0.42

Gd = 510

Gd = 510

20

15

10

Young´s modulus

Ed = 400

Ed = 560

Ed = 580

Shear modulos

Ed = 410

0.41

0.44 Gd = 140

Poisson`s

0300025750

0.37

0.41

Poisson

3000

Ratio

Gd = 140

Gd = 210

Gd = 210

2500

corte

0 5000

5

50000

6000

Modulo deYoung

Fig 5: Distribución de Velocidades de Ondas P y S

CONCLUSIONES

1. El Método de Refracción Sísmica tiene una gran aplicación en la exploracióngeotécnica; pero su interpretación debe necesariamente correlacionarse con lainformación de los sondeos convencionales, pues tiene el inconveniente de no detectarestratos blandos que subyacen a otros duros.

2. En proyectos de mediana a gran envergadura, estos ensayos de exploración geofísicaresultan muy económicos y pueden ser usados como métodos de exploración preliminar,en base a los cuales se puede planificar en forma más óptima la realización de otrosensayos, como perforaciones profundas, que son mucho mas costosos.

3. El método de medición de ondas P-S en pozos permite obtener los parámetrosdinámicos del suelo, las cuales son necesarios para poder determinar la respuestadinámica del suelo. Este ensayo es el más sencillo de realizar cuando se cuenta con unaperforación, por lo tanto se recomienda su ejecución especialmente en áreas donde elterreno va a estar expuesto a solicitaciones dinámicas.

REFERENCIAS

1.- ARCE HELBERG, J. 1990. "LA GEOFISICA APLICADA A LAMICROZONIFICACION - METODOS DE PROSPECCION GEOFISICA ENESTUDIOS DE INGENIERIA", Conferencia presentada en el Seminario Internacionalsobre Microzonificación y su Aplicación al Planeamiento Urbano para la Mitigación deDesastres, CISMID- 1991.

2.- Department of the Army Corps of Engineers, Office of the Chief of Engineers, 1979."GEOPHYSICAL EXPLORATION - ENGINEERING AND DESIGN". U.S.A.

3.- MARTINEZ VARGAS, A., 1990. "GEOTECNIA PARA INGENIEROS -PRINCIPIOS BASICOS", Vol. I. LIMA - PERU.

4.- MENESES LOJA, J., "ENSAYOS DE PROSPECCION SISMICA", Conferenciapresentada en el Seminario Taller de Dinámica de Suelos, CISMID - 1991.

5.- Secretaría General de Obras del Departamento del Distrito Federal, 1988. "MANUALDE EXPLORACION GEOTECNICA", MEXICO.

TABLA 1VALORES TIPICOS DE Vp y Vs

(Suelos Saturados)

TIPO DE SUELOS (gr/cm3) Vp

(m/seg)Vs

(m/seg)

Suelos Superficial 1.2 250 90

Turba 1.2 250 90

Ceniza Volcánica 1.6 1,100 170

Limo 1.6 1,150 210

Arcilla 1.6 1,330 350

Arena 1.6 1,760 450

Arena Fina 1.6 1,780 460

Arena Media 1.6 1,810 600

Arena Gruesa 1.6 1,700 300

Arena Marina 1.6 1,350 360

Grava 1.7 1,910 510

Grava Gruesa 1.8 2,250 650

Esquisto de barro,depósito o acarreo fluvial 1.7 1,750 550