Sísmica de refracción. geo
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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
F.I.C.M.
NOMBRE:
ANA GABRIELA CHILUISA.
SEBASTIÁN NARANJO BUSTOS.
JANNE VELASTEGUÍ LARA.
JAIR POVEDA RIOFRÍO.
SEMESTRE:
SEXTO
PARALELO:
“A”
DOCENTE:
ING. OSWALDO ORTIZ
FECHA:
04 – 06 – 2014
EXPLORACIÓN DE SUBSUELO
GEOFÍSICO INDIRECTO: SÍSMICA DE REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN
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.
SISMICA DE REFRACCIÓN.-
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.Es un método muy útil para la
investigación de la estructura geológica, las propiedades del terreno, problemas
de cimentación, así como el estudio de capas aluviales, deslizamientos,
graveras y areneros, etc.
Una de las aplicaciones del método de refracción sísmica en la ingeniería civil
es el estudio del subsuelo, para la determinación de las condiciones
(meteorización, fracturación, alteración) y competencia de la roca, como
también para detección de fallas geológicas. Este método mide el tiempo de
propagación de las ondas elásticas, transcurrido entre un sitio donde se
generan ondas sísmicas y la llegada de éstas a diferentes puntos de
observación, como lo muestra la Figura. 1.
Figura 1.
Éste es un método sísmico muy empleado y consiste en realizar perfiles
longitudinales con sensores, geófonos, espaciados entre sí una distancia
predeterminada. La energía que se libera al disparo mediante el golpeo con un
martillo o la utilización de explosivos, es registrada en sensores y almacenada
en un sismógrafo.
La profundidad normal de la investigación oscila entre 10 y 20 m. con
posibilidad de alcanzar profundidades del orden de 100 a 200 m. en
determinados casos muy favorables. De una forma general, la profundidad
explorada está comprendida entre el 20 y el 40% de la distancia que separa el
emisor del receptor.
Produciendo un impacto mecánico (choque o explosión) se propagan en el
subsuelo ondas sísmicas, convelocidades diferentes según los terrenos
atravesados.Esta velocidad de las ondas sísmicas depende esencialmente de
la compacidad de las capasconsideradas. La refracción sísmica saca partido de
este fenómeno.
En la mayoría de los casos, para el subsuelo próximo,las capas presentan
velocidades crecientes con laprofundidad. Se admite que la onda de choque se
propaga en línea recta en un terreno dado, nocambiando nunca la dirección,
excepto cuando penetraen un terreno diferente (refracción de la onda).
Descripción del método:
En la zona de exploración se produce una serie de mini-explosiones que son
recibidas en pequeños aparatos denominados GEÓFONOS, los que calculan la
velocidad de transmisión de las ondas perturbadoras y a través de una tabla
correlativa se determina el tipo de suelo.
Para esto se disponen en superficie una serie de sensores (geófonos) en línea
recta a distancias conocidas, formando lo que se conoce como tendido sísmico
o línea de refracción. A una distancia conocida del extremo del tendido, en el
punto de disparo, se generan ondas sísmicas con la ayuda de un martillo o por
la detonación de explosivos, las cuales inducen vibraciones en el terreno que
se propagan por el subsuelo y que son detectadas por cada uno de los
sensores en el tendido.
Los registros de cada sensor tienen información de la respuesta del terreno en
función del tiempo y son conocidos como sismogramas. Estas trazas son
analizadas en la refracción sísmica para obtener el tiempo de llegada de las
primeras ondas de cuerpo, tanto onda P como también las llegadas de la onda
S, a cada sensor desde el punto de disparo. El análisis e interpretación de
estos datos permite calcular las velocidades longitudinales (Vp [m/s]), además
de la determinación de los refractores que se pueden asociar a interfaces de
los materiales del subsuelo en profundidad, lo que a su vez se puede
interpretar litológicamente. (Fig. 2)
Interpretación de perfil sísmico
Figura 2. (Secuencia de proceso)
El método de refracción sísmica se basa en:
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 o usando
explosivos, 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.
• 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.
Cálculos:
En la figura 3. Se puede observar gráficamente la exploración geofísica por el
método sísmico de refracción.
Figura 3.
Sobre un gráfico de coordenadas (Fig. 4 y 5), se colocan en las abscisas las distancias
entre el punto emisor y el geófono, y en las ordenadas los tiempos medidos, seobtiene
una Curva Democrónica, que normalmente está formada por segmentos de rectas
correspondientes a las distintas capas del subsuelo.
Estos segmentos tienen una gradiente inversamente proporcional a la velocidad del
medio considerado, pudiendo por este concepto, obtenerse las velocidades buscadas.
Figura 4.
En la figura 5. se podrá observar la forma de determinar la altura H del suelo
hasta la roca basal.
Figura 5.
El Espesor de los diferentes estratos, se puede calcularcon la siguiente
expresión:
Donde:
H = espesor de cada estrato.
x = distancia horizontal correspondiente al cambio de velocidad en la Curva
Democrónica.
V1 y V2 = velocidades de propagación en las diferentes capas de suelo.
Cuando en el gráfico aparecen tres o más velocidades correspondientes a
diferentes estratos, la expresión para estimar el espesor de los estratos
inferiores es usualmente resuelta con la ayuda de ábacos o, para una primera
aproximación se puede utilizar las siguientes expresiones:
O también:
RESULTADOS DEL ENSAYO:
La velocidad de transmisión de ondas sísmicas es un buen indicador de
las características geotécnicas de los materiales. Los resultados obtenidos son
las velocidades de propagación de las ondas de los medios encontrados, así
como los espesores. Por comparación con tipos de referencia, es posible tener
una idea de su naturaleza geológica.A medida que los materiales se degradan
y aumenta el grado de alteración, la velocidad disminuye.
Además proporciona 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).
No existe una normativa al respecto pero sí se puede encontrar ejemplos de
caracterización del terreno atendiendo a la velocidad de propagación de las
ondas elásticas.
A continuación se puede leer la tabla 1 que muestra la correlación existente entre
el tipo de suelo y la velocidad de transmisión de las ondas sísmicas.
INTERVALO APROXIMADO DE LA VELOCIDAD DE ONDA LONGITUDINAL
PARA DIVERSOS TIPOS DE MATERIALES REPRESENTATIVOS
MATERIAL VELOCIDAD (m/seg)
Suelo
Arcilla
Arcilla arenosa
Arcilla arenosa cementada
Limo
Arena seca
170 - 500
1.000 - 2.800
975 - 1.100
1.160 - 1.280
760
300
Arena húmeda
Aluvión
Aluvión profundo
Depósito glaciar
Dunas
Loess
Arenisca
Caliza
Granito
Roca ígnea de Basamento (BASAL)
610 - 1.830
550 - 1.000
1.100 - 2.360
490 - 1.700
500
375 - 400
2.400 - 4.000
3.000 - 5.700
4.000 - 5.600
5.500 - 6.600
Tabla 1.
Limitaciones:
• Para que exista refracción de las ondas, la velocidad de propagación de
estas debe ser estrictamente creciente con la profundidad. En el caso 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 en superficie está directamente relacionada con la profundidad
de investigación que se alcance.
• Dicha profundidad está condicionada por el tipo de fuente activa
empleada (entre otros factores como se mencionó anteriormente). Es así,
como mediante el uso de martillo se puede alcanzar una profundidad del
orden de 30-50 metros.
Consideraciones:
• La precisión del método requiere el uso de un levantamiento topográfico
de detalle.
• Se considera que las ondas longitudinales se propagan a velocidades
constantes en cada estrato para cada tendido sísmico (spread), que es la
unidad básica de interpretación.
• Si la longitud del perfil supera la extensión de un spread, se debe
considerar un traslape de geófonos para no perder información de los
rayos.
• El contraste de velocidad entre estratos y el espesor de éstos, debe ser
suficientemente alto para que queden representados con claridad en las
curvas camino-tiempo.
• Una fuerte humedad crea generalmente corto circuitos en los aparatos
alterando las medidas.
• El hielo modifica las velocidades falseando los resultados.
• Una fuente de vibraciones próxima (viento violento en los árboles, paso
de trenes, circulación de maquinaria pesada), provocando también ondas
parásitas que pueden también alterar las medidas.
• Si es un terreno de alta velocidad, que se encuentra sobre otro de
velocidad más débil, este último no puede ser prospectado, puesto que la
onda profunda en ningún caso alcanzará la onda superficial.
Equipos para el ensayo
• Un emisor de ondas móvil (masa, martillo o explosivos) permite crear los
impactos.
• Un captor fijo o geófono, mide el tiempo de llegada de las ondas
propagadas por el subsuelo.
• Sismógrafo de refracción, mide de los tiempos de refracción de las
ondas sísmicas en el suelo.
Ventajas de ensayo:
• 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 del ensayo:
• 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.
• 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.
Log de resultados:
Los datos que se entregan al ingeniero geotécnico son los siguientes:
CapaTipo de material del
que se conforma
Velocidad
(m/seg)
Altura de
la capa
(m)
1 Suelo 170 - 500 5
2 Arena seca 300 0.95
3 Arcilla arenosa 975 - 1.100 3
4 Granito 4.000 - 5.600 14.5
5Roca ígnea de Basamento
(BASAL)5.500 - 6.600 18
SÍSMICA 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 (FiguraIII.6), el dispositivo
experimental soporta que se esté operando en "cortoángulo"; asegurando así la
obtención de reflexiones y, distinguiéndose de la sísmica de refracción o de
"gran ángulo".
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00da950dfe.jpg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE
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MERGEFORMATINET
Esquema básico de la emisión y recepción de los
Rayos reflectados en las distintas capas reflectoras.
La sísmica de reflexión es un método de exploración geofísica que usa los
principios de la sísmica para estimar las propiedades subsuperficiales de la
Tierra a partir de la reflexión de ondas sísmicas. El método requiere una fuente
controlada de energía, como la dinamita o el tovex, un cañón de aire
especializado o un vibrador sísmico (conocido como Vibroseis).
Ensayo:
Las ondas sísmicas son perturbaciones mecánicas que se propagan por el
suelo a una velocidad determinada por la impedancia acústica (resistencia que
opone un medio a que las ondas se propaguen sobre este) del medio en el que
viajan.
Cuando una onda sísmica viajando a través del suelo se encuentra la interface
de dos materiales con distintas impedancias acústicas, parte de la energía se
refleja y otra parte se refracta a través de la interface.
La técnica de la sísmica de reflexión consiste en generar ondas sísmicas y
medir el tiempo que tardan en viajar de la fuente, reflejarse en una interface y
ser detectada por los geófonos (puestos en una cola llamada streamer).
Sabiendo el tiempo que tardan las ondas a llegar a los distintos receptores del
streamer y su velocidad, un geofísico reconstruirá la forma de las ondas de
manera que se pueda obtener una imagen subsuperficial.
Los métodos geofísicos tienen que verse como un "problemainverso". Nosotros
recibimos como resultado de la aplicación de ondas sísmicas unos datos que
nos indican como se comporta el fondo y a partir de ahí, con la ayuda de las
leyes físicas, el geofísico intenta reconstruir el modelo más probable que se
ajuste a los resultados. En muchos casos, el modelo final no es sólo uno, sino
que hay varias opciones que responden al mismo modelo y pequeños errores
de captación de datos, procesado y análisis pueden cambiar significativamente
el modelo obtenido. Es por eso que es importante ser cuidadosos a la hora de
interpretar los resultados.
El principio general de la sísmica de reflexiónesenviarondaselásticas al suelo y
recoger la energíaquevuelve (y cuándo lo hace) através de los hidrófonos,
queconvierten los cambios de presión en señaleseléctricas. Cadarespuestadel
receptor se graba en unacintamagnética, cadaexplosión se registra y luego se
procesantodas.
La sección sísmica representa la profundidad (en el eje y) que se puede
obtener trastransformar el tiempo de respuesta a la profundidad a través de la
aplicación de la velocidad de lasondas; en la siguiente magen se puede ver
algo mejor: