Instrumentos de Medición de Movimientos Sísmicos

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE MOVIMIENTOS SÍSMICOS EL SISMÓGRAFO Un sismógrafo es un aparato que detecta y graba las ondas sísmicas que un terremoto o una explosión genera en la tierra. El lápiz está en contacto con un tambor giratorio unido a la estructura. Cuando una onda sísmica alcanza el instrumento, el suelo, la estructura y el tambor vibran de lado a lado, pero, debido a su inercia, el objeto suspendido no lo hace. Entonces, el lápiz dibuja una línea ondulada sobre el tambor.

Fig. 1 Sismógrafo Los gráficos producidos por los sismógrafos se conocen como sismogramas, y a partir de ellos es posible determinar el lugar y la intensidad de un terremoto. Muchos sismogramas son muy complicados y se requiere una técnica y experiencia considerables para interpretarlos, pero los más simples no son difíciles de leer.

Fig. 2 Sismograma En la actualidad, los instrumentos modernos son electrónicos. Estos sismógrafos tienden a llegar a ser instrumentos universales. Los modernos sismómetros de banda ancha (llamados así por la capacidad de registro en un ancho rango de frecuencias) consisten de un pequeña ‘masa de prueba’,

confinada por fuerzas eléctricas, manejada por electrónica sofisticada

HIDRÓFONO Un hidrófono es un transductor un transductor de sonido a electricidad para ser usado en agua o en otro líquido, de forma análoga al uso de un micrófono en el aire. Un hidrófono también se puede emplear como emisor, pero no todos los hidrófonos tienen esta capacidad.

El primer sonar operativo fue construido por Reginald Fessenden en los Estados Unidos en 1914. Este dispositivo empleaba un oscilador de cobre electromagnético que emitía un ruido de baja frecuencia, a continuación conmutaba a un modo de escucha para recibir el eco. Debido a este tosco modo de operación no era demasiado preciso en la determinación de la dirección del blanco. El primer dispositivo denominado hidrófono fue desarrollado cuando la tecnología maduró y se emplearon ondas ultrasónicas que mejoraban la capacidad de detección. Los ultrasonidos se generan mediante un mosaico de cristales de cuarzo delgados pegados entre ellos por láminas de acero de forma que se obtienen frecuencias de resonancia por encima de 150 KHz.

Fig. 3 Hidrófono Los hidrófonos son usados por geólogos y geofísicos para la detección de energía sísmica, que se manifiesta como cambios de presión debajo del agua durante la adquisición sísmica marina. Los hidrófonos se combinan para formar los cables sísmicos marinos que son remolcados por las embarcaciones de adquisición sísmica o se despliegan en un pozo. Los geófonos, a diferencia de los hidrófonos, detectan el movimiento en vez de detectar la presión.

Fig. 4 Cable sísmico

Fig. 5 Hidrófonos y cables sísmicos

Hidrófonos Direccionales: Un único transductor cerámico y cilíndrico puede conseguir una recepción omnidireccional casi perfecta. Los hidrófonos direccionales mejoran la sensibilidad en una dirección usando básicamente dos técnicas: Reflector: Este método usa un único elemento transductor con un disco o un reflector acústico de forma cónica para enfocar adicionalmente las señales. Este tipo de hidrófono se puede fabricar a partir de hidrófonos omnidireccionales de bajo coste, pero se debe usar de forma estacionaria, puesto que el reflector impide su movimiento a través del agua. Matrices: Varios hidrófonos se pueden montar en una agrupación de modo que puedan sumar las señales en una dirección mientras que se cancelen en otras.

GEOFONO En los métodos sísmicos de prospección se suele registrar el movimiento del suelo generado por una fuente energética como son los explosivos y camiones vibradores. Los geófonos son transductores de desplazamiento, velocidad o aceleración que convierten el movimiento del suelo en una señal eléctrica. Casi todos los geófonos empleados para la prospección sísmica en la superficie terrestre son del tipo electromagnético.

Fig. 6 Geófono

Geofono Capacitativo: También es posible construir geófonos que trabajen con transductores capacitivos. Estos transductores proporcionan una señal proporcional al desplazamiento de la masa. Se puede construir un transductor capacitivo elemental con dos placas paralelas alimentadas con una tensión alterna opuesta y una tercer placa, solidaria a la masa móvil, situada entre ellas. Geofono Piezoelectrico: Los geófonos piezoeléctricos son transductores de aceleración. En este tipo de geófonos la masa del sistema descansa sobre un conjunto de placas hechas de algún material piezoeléctrico sensible a la presión tal como el cuarzo o la turmalina. Una aceleración del suelo hacia arriba aumentará el peso aparente de la masa y en consecuencia subirá la presión que actúa en los cristales piezoeléctricos. Una aceleración del suelo hacia abajo disminuirá el peso aparente de la masa y en consecuencia la presión ejercida sobre las placas. La variación de la presión induce variaciones de voltaje entre los extremos de las placas. SISMOMETRO DE FONDO OCEANICO (OBS) Un sismómetro de fondo del océano es un sismómetro que está diseñado para registrar el movimiento de la tierra bajo los océanos y lagos de fuentes artificiales y fuentes naturales. Los sensores en el fondo del mar se utilizan para observar eventos acústicos y sísmicos. Las señales sísmicas y acústicas pueden ser causados por diferentes fuentes, por terremotos y temblores así como por fuentes artificiales. Cálculo y análisis de los datos proporciona información sobre el tipo de fuente y, en caso de eventos sísmicos naturales, la geofísica y la geología del fondo marino y la corteza más profunda. El despliegue de la OBS largo de un perfil le dará información acerca de la estructura profunda de la corteza terrestre y el manto superior en zonas de altura. OBS puede estar equipado con un máximo de un geófono de tres componentes, además de un hidrófono, y por lo tanto se necesita una capacidad de más de 144 Mbytes, lo que sería el mínimo para un perfilado MCS adecuada. En un estudio típico, los instrumentos deben estar en funcionamiento durante varios días, lo que requiere una capacidad de almacenamiento de datos de más de 500 Mbytes. Otros experimentos, como investigaciones tomográficas en un 3D-encuesta o vigilancia sismológica, demandan una capacidad aún mayor.

Fig. 7 Modelo y funcionamiento de OBS

ACELEROMETRO Se denomina acelerómetro a cualquier  instrumento destinado a medir  aceleraciones.  Esto no es necesariamente la misma que la aceleración de coordenadas (cambio de la velocidad del dispositivo en el espacio), sino que es el tipo de aceleración asociada con el fenómeno de peso experimentado por una masa de prueba que se encuentra en el marco de referencia del dispositivo. Un ejemplo en el que este tipo de aceleraciones son diferentes es cuando un acelerómetro medirá un valor sentado en el suelo, ya que las masas tienen un peso, a pesar de que no hay cambio de velocidad. Sin embargo, un acelerómetro en caída gravitacional libre hacia el centro de la Tierra medirá un valor de cero, ya que, a pesar de que su velocidad es cada vez mayor, está en un marco de referencia en el que no tiene peso.

Fig. 8 Esquema acelerómetro El acelerómetro es uno de los transductores más versátiles, siendo el más común el piezoeléctrico por compresión. Este se basa en que, cuando se comprime un retículo cristalino piezoeléctrico, se produce una carga eléctrica proporcional a la fuerza aplicada. Acelerometro Piezo Electrico: Los elementos piezoeléctricos están hechos normalmente de circonato de plomo. Los elementos piezoeléctricos se encuentran comprimidos por una masa, sujeta al otro lado por un muelle y todo el conjunto dentro de una caja metálica. Cuando el conjunto es sometido a vibración, el disco piezoeléctrico se ve sometido a una fuerza variable, proporcional a la aceleración de la masa. Debido al efecto piezoeléctrico se desarrolla un potencial variable que será proporcional a la aceleración. Dicho potencial variable se puede registrar sobre un osciloscopio o voltímetro. Este dispositivo junto con los circuitos eléctricos asociados se puede usar para la medida de velocidad y desplazamiento además de la determinación de formas de onda y frecuencia. Una de las ventajas principales de este tipo de transductor es que se puede hacer tan pequeño que su influencia sea despreciable sobre el dispositivo vibrador. El intervalo de frecuencia típica es de 2 Hz a 10 KHz.

Fig. 9 Acelerómetro piezoeléctrico

Acelerómetro mecánico: Es el más simple. Se construye uniendo una masa a un dinamómetro cuyo eje está en la misma dirección que la aceleración que se desea medir. Acelerómetro de efecto Hall : Utilizan la masa sísmica donde se coloca un imán y un sensor de efecto Hall que detecta cambios en el campo magnético. Acelerómetros de condensador : Miden el cambio de capacidad eléctrica de un condensador mediante una masa sísmica situada entre las placas del mismo, que al moverse hace cambiar la corriente que circula entre las placas del capacitador. GIROSCOPIO También llamado giroscopio, cualquier cuerpo en rotación que presenta dos propiedades fundamentales: la inercia giroscópica o "rigidez en el espacio" y l a precesión, que es la inclinación del eje en ángulo recto ante cualquier fuerza que tienda a cambiar el plano de rotación. Estas propiedades son inherentes a todos los cuerpos en rotación, incluida la Tierra. El término giróscopo se aplica, generalmente, a objetos esféricos o en forma de disco montados sobre un soporte cardánico, de forma que puedan girar libremente en cualquier dirección.

Fig. 10 Giroscopio Estos instrumentos se emplean para demostrar las propiedades anteriores i para indicar movimientos en el espacio. A veces se denomina girostato a un giróscopo que sólo puede moverse en torno a un eje de giro. En casi todas sus aplicaciones prácitcas, los giróscopos están restringidos o controlados de esta forma. Otras veces se añade el prefijo giro al nombre de la aplicación, por ejemplo, giroestabilizador o giropiloto. Otra aplicación mucho mas lúdica se conoce como la peonza, que es un antiguo juego infantil. Inventado en 1853 por León Foucault, quien le dio nombre, el giroscopio es un dispositivo mecánico formado esencialmente por un cuerpo con simetria de rotación que gira alrededor de su eje de

simetría. Cuando se somete a un movimiento de fuerza que tiende a cambiar la orientación del eje de rotación, en lugar de cambiar de dirección como lo haría un cuerpo que no girase, cambia de orientación en una dirección perpendicular a la dirección intuitiva. Se basa en el siguiente efecto: supongamos un giroscopio formado por un disco montado sobre el eje horizontal, alrededor del cual el disco gira libremente a gran velocidad, como se observa en la figura más abajo. Un observador mantiene el eje del fondo con la mano izquierda y el eje de delante con la mano derecha. Si el observador trata de hacer girar el eje hacia la derecha (bajando la mano derecha y subiendo la mano izquierda) sentirá un comportamiento muy curioso, ya que el giroscopio empuja su mano derecha y tira de su mano izquierda. El observador acaba de sentir el efecto giroscopio. Es una sensación muy sorprendente porque da la impresión de que el giroscopio no se comporta como un objeto "normal". Así pués, por mucho que se mueva, incline o ladee el giróscopo, el volante mantendrá su plano de rotación original mientras siga girando con suficiente velociadad para superar el rozamiento de los rodamientos sobre los que va montado. Este sensor, en los aparatos que lo usan, es capaz de detectar la rotación del aparato sobre sí mismo, calculando también la velocidad angular o velocidad de giro. Además, en combinación de un acelerómetro los dispositivos pueden tratar 6 ejes distintos simultaneamente, detectando el movimiento con mucha más precisión.

RED SÍSMICA NACIONAL Los terremotos ocurridos en Perú en los años 2001 y 2007, permitieron al Servicio Sismológico Nacional (SSN) del Instituto Geofísico del Perú (IGP) experimentar el colapso y saturación de las líneas telefónicas e internet, lo cual no permitió disponer de la información necesaria para el procesamiento de la data sísmica y emisión de los reportes en el menor tiempo posible. Ante este problema, el IGP decide modernizar la Red Sísmica Nacional (RSN) y con el apoyo del Gobierno Peruano ejecuta el proyecto Red Sísmica Satelital para la Alerta Temprana de Tsunamis (REDSSAT), el cual permitió poner en operatividad en Julio del 2011, un sistema integrado compuesto por 7 estaciones sísmica de banda ancha con transmisión por satélite y algoritmos adecuados para la recepción de la señal, su análisis y procesamiento automático, previos a la emisión del reporte. A Julio del 2012 se cuenta con 15 estaciones sísmica de banda ancha con transmisión por satélite. La infraestructura que alberga a las estaciones de la REDSSAT fue construida en los departamento de Moquegua (Toquepala), Arequipa (Yauca, Camana), Cusco (Cusco), Madre de Dios (Puerto Maldonado), Ica (Guadalupe), Junín (Huancayo), Ucayali (Pucallpa), Ancash (Huaylas), Loreto (Yurimaguas, Iquitos), Lambayeque (Portachuelo) y Piura (Chocan). En la actualidad el IGP cuenta con una RSN compuesta por 51 estaciones sísmicas. De estas estaciones, 29 son de banda ancha: 15 con trasmisión por satélite, 6 por Internet y 8 con almacenamiento in situ. Asimismo, 22 estaciones son de periodo corto con transmisión por Internet y telemetría, 7 de estas integran la red local para el monitoreo de la sismicidad presente en el área del Proyecto Mantaro-Tablachaca (Convenio Electroperú), y 10 para el monitoreo de los volcanes Misiti y Ubinas. Además, las estaciones de Ñaña (NNA) y Atahualpa (ATH) pertenecen a la red sismica mundial, administrada por el consorcio IRIS (Incorporated Reserch Institutions for Seismology) y por el CTBTO (Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty Organization).

Fig. 11 Mapa de Estaciones Sísmicas del Perú

Fig. 12 Mapa de Estaciones Sísmicas del Perú con Acceso en Tiempo Real.

Fig. 13 Mapa de Estaciones Sísmicas del Perú con Acceso en Tiempo Real.

RED MONITOREO SISMICO REGIONAL LA RED DE ACELERÓGRAFOS DEL CISMID EN EL SUR DEL PERÚ El Centro Peruano Japones de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID), de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería, tiene a su cargo una red de siete acelerógrafos distribuidos en el Sur del Perú, emplazados en Tacna, Arequipa y Moquegua. La Tabla 1 muestra las ubicaciones de las estaciones. La figura muestra las ubicaciones de las estaciones y el epicentro del sismo del 13 de junio del año 2005.

RED MONITOREO SISMICO REGIONAL LA RED DE ACELERÓGRAFOS DEL CISMID EN EL SUR DEL PERÚ El Centro Peruano Japones de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID), de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería, tiene a su cargo una red de siete acelerógrafos distribuidos en el Sur del Perú, emplazados en Tacna, Arequipa y Moquegua. La Tabla 1 muestra las ubicaciones de las estaciones. La figura muestra las ubicaciones de las estaciones y el epicentro del sismo del 13 de junio del año 2005.

Fig. 14 Ubicación Estaciones Sísmicas en la Región.

ESTACIONES SISMO VOLCANICAS OVA - IGP El Observatorio Vulcanológico de Arequipa (OVA-IGP) basa sus interpretaciones en 2 tipos de Redes de Estaciones Sísmicas: Una red “macro” y una red “micro”. La primera red RSN (Red Sísmica

Nacional) vigila la actividad sismovolcánica en conjunto en todo el Sur, y cuenta con 04 estaciones

satelitales y 08 estaciones fijas, siendo un total de 12 estaciones permanentes y tiempo real. El segundo tipo de redes  –las redes “micro” –  son las establecidas para cada volcán. En el caso del Ubinas funciona una red de 4 estaciones sísmicas en tiempo real, dispuestas simétricamente alrededor del cráter, a cortísima distancia del cráter (entre 1.5 y 2.6 km).

Fig. 15 Ubicación Estaciones Sísmicas en Sector Ubinas El OVA-IGP dispone así de un total de 16 estaciones sísmicas entre satelitales, permanentes regionales y permanentes sobre el volcán Ubinas, que funcionan en tiempo real y que garantizan una buena cobertura y oportunidad en la información geofísica

Monitoreo de volcanes del Sur El Ingemmet monitorea en Moquegua, además del Ubinas, el Ticsani y Huaynaputina; en Tacna, el Tutupaca y Yucamani; en Arequipa, el Coropuna, Sabancaya y Misti . Utilizan 4 métodos: visual (observación permanente), geodésico (instalación de estaciones para medir deformaciones milimétricas del volcán), geoquímico (medición de la composición química de las aguas termales cercanas al volcán) y monitoreo sísmico (detecta el comportamiento sísmico del cono volcánico).