Sísmica de Refracción

Sismica de Refracc Refracción ión Prospección Prospecció n Geofísica (PET – 103)

SÍSMICA DE REFRACCIÓN Introducción La sísmica de refracción realizó grandes aportaciones a la prospección sísmica en susmco susmcomie mienz nzos os.. Hast Hasta a la décad década a de los 60 fue extre extremad madame amente nte popul popular ar,, especia especialmen lmente te en la explora exploración ción de cuencas cuencas sedimentari sedimentarias as donde donde condujo condujo al descubrimiento de grandes campos de petróleo; posteriormente uedó relegada por los a!ances del método de reflexión ue proporcionaba una información m"s detallada.

#in embargo, debido a su menor coste $ al tipo de información ue proporciona %campo %campo de !eloc !elocida idade des& s& la sísmic sísmica a de refrac refracció ción n es un poten potente te métod método o ue ue actualmente se emplea tanto en estudios de estructuras profundas de la corteza terrestr terrestre e como en estudios estudios del subsue subsuelo lo m"s inmediat inmediato o %ripabil %ripabilidad idad,, rellenos rellenos anisotrópicos, compactación de los materiales, etc.&

Método de Refracción 'l método se basa en la medición del tiempo de !iaje de las ondas refractadas críticamente en las interfaces entre las capas con diferentes propiedades físicas; fundamentalmente fundamentalmente por contraste entre impedancias ac(sticas ac(sticas %i ) *.!; en donde * es la dens densida idad d $ ! la !eloc !elocida idad d de la capa& capa&.. La ener energía gía sísmica sísmica se gener genera a mediante un impacto controlado en superficie %o a una determinada profundidad& ue ue !a prop propag ag"n "ndo dose se en form forma a de onda onda el"s el"sti tica ca a tra! tra!és és del del subs subsue uelo lo interaccionando con las distintas capas, de manera ue una parte de la energía se refleja $ permanece en el mismo medio ue la energía incidente, $ el resto se transmite al otro medio con un fuerte cambio de la dirección de propagación debido al efecto de la interfase %refracción&.

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 +e esta interacción, la sísmica de refracción solo considera las refracciones con "ngulo crítico $a ue son las (nicas ondas refractadas ue llegan a la superficie $ pueden ser captadas por los geófonos

igura -

La

distancia

al punto de tiro

desde los receptores debe

ser

considerablemente grande profundidad

comparada de

desean detectar,

con

la

los orizontes ue se debido

a

ue

las

ondas !iajan grandes distancias orizontales antes de ser refractadas críticamente acia la superficie; por ello también se suele llamar sísmica de gran "ngulo. 'stas largas tra$ectorias de propagación acen ue se disipe una ma$or  proporción de energía $, en particular se produzca una absorción de las frecuencias m"s altas, en consecuencia los datos de refracción son de bajas frecuencias comparados con los datos de reflexión $, a igualdad de fuente sísmica, se inspecciona menor profundidad. La sísmica de refracción es especialmente adecuada cuando se desean estudiar  superficies de alta !elocidad, $a ue brinda información de !elocidades $ profundidades en las cuales se propagan las ondas %igura /&. ambién es posible inspeccionar "reas m"s grandes mas r"pidamente $ de forma m"s económica ue el método de reflexión; a pesar de presentar una significante perdida del detalle.

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Sismica de Refracción Prospección Geofísica (PET – 103) igura /

 1 una distancia conocida del extremo del tendido, en el punto de disparo, se generan ondas sísmicas, 2 con la a$uda de un martillo o por la detonación de explosi!os 2, las cuales inducen !ibraciones en el terreno ue son detectadas por  cada uno de los sensores en el tendido. 'l euipo b"sico consiste de los sensores; la unidad de aduisición, en donde se almacenan los mo!imientos del terreno detectados por cada sensor; los cables de conexión entre los sensores $ la unidad de aduisición; el cable del trigger, ue se encarga de marcar el momento de inicio de registro en la unidad de aduisición.  Los registros de cada sensor tienen información de los mo!imientos del terreno en función del tiempo $ son conocidos como sismogramas. 'stos son analizados en la refracción sísmica para obtener el tiempo de llegada de las primeras ondas a cada sensor desde el punto de disparo, $ en la reflexión para obtener información de las ondas ue son reflejadas en las diferentes interfaces de suelo, para lo cual es estudiado el sismograma completo. 3omo se !er" m"s adelante una de las aplicaciones del método de refracción sísmica en la ingeniería ci!il es la determinación de la profundidad al basamento. 3on este fin fue aplicado este método en este trabajo de grado en la zona de tesis.  1lcances $ limitaciones del método. 'n términos de la 4ngeniería 3i!il, $ el estudio din"mico de los suelos los alcances $ limitaciones del método serían los siguientes.

Alcances y limitaciones del método 'n términos de la 4ngeniería 3i!il, $ el estudio din"mico de los suelos los alcances $ limitaciones del método serían los siguientes5

Alcances

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Sismica de Refracción Prospección Geofísica (PET – 103) •

+etecta !ariaciones tanto en profundidad como en la orizontal de la

•

!elocidad de la onda  $ #. ermite la detección de la profundidad a basamento $ de su relie!e, dependiendo de !ariables como longitud del tendido, energía de la fuente sísmica, !elocidades de los suelos.

Limitaciones

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#ólo funciona cuando la !elocidad de propagación de las ondas aumenta con la profundidad. 'n el caso de suelos con capas intermedias de menor 

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!elocidad el método arrojaría resultados erróneos. ara el caso de aplicaciones urbanas de la 4ngeniería 3i!il, el 8étodo de 9efracción

#ísmica est" limitado por

la disponibilidad de zonas

descubiertas con suficiente extensión. La longitud del tendido en superficie est" directamente relacionada con el alcance de la exploración en profundidad.

ro!a"ación y #rayectoria de las $ndas 3uando se generan ondas sísmicas, a partir de golpes en el suelo con una porra, o con explosiones de pól!ora, éstas inclu$en tanto ondas sísmicas internas, 2 rimarias $ #ecundarias 2, como superficiales ondas 2 Lo!e $ 9a$leig 2. Las ondas , también conocidas como ondas longitudinales, son las de ma$or interés en la refracción sísmica. Las le$es ue rigen la propagación $ la tra$ectoria de las ondas sísmicas en la refracción, son las mismas ue se utilizan en óptica5

%-& rincipio de Hu$gens. %/& rincipio de ermat, $ %:& Le$ de refracción %o de #nell&.

Ley de Refracción

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3omo consecuencia del rincipio de Hu$gens $o del principio de ermat, la Le$ de refracción dice ue el seno del "ngulo incidente es al seno del "ngulo de refracción como la !elocidad de la onda incidente es a la !elocidad de la correspondiente onda refractada.

ara explicar la tra$ectoria de las ondas en el método de la 9efracción sísmica, consideremos un medio, con !elocidad

C -,

con !elocidad

:&. 0? con respecto a la normal&. La refracción a >0? del "ngulo crítico, ilustrada en la igura @, implica ue las ondas no se propagan por la capa inferior, sino por el contacto entra ambas capas A es decir  por la superficie de refracción 2 con la !elocidad ! / de la capa inferior, siguiendo la le$ de los recorridos mínimos o rincipio de ermat.

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igura @

Fenómenos en la !ro!a"ación 3uando el medio en ue se propagan las ondas sísmicas no es omogéneo, se producen los fenómenos de difracción, dispersión $ scattering. a& Difracción

+es!ío de los ra$os, en cierta extensión, ocurrido cuando se limita parte del frente de ondas.

) Dis!ersión

 's la !ariación de la !elocidad de una onda con el cambio de frecuencia. 'n un medio el"stico omogéneo no a$ dispersión, pero si la a$ en un medio imperfectamente el"stico como en la tierra. 'n refracción sísmica no a$ e!idencia de ue exista dispersión apreciable, excepto cuando se usan explosi!os en inmediaciones de la explosión.

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c) Scatterin"

3orresponde a la formación de peueBas ondas ue propagan la energía en todas las direcciones. #e produce cuando un frente de ondas coca con partículas libres u objetos peueBos comparados con su longitud de onda. 'ste fenómeno no es ma$or para frecuencias altas. arte de lo ue se considera CruidoD en un registro puede deberse a este fenómeno $a ue produce energía distribuida al azar en superficie. La disminución de la energía sísmica con la distancia, causada por los tres fenómenos explicados anteriormente, !a acompaBada de pérdidas debidas a la absorción de la energía, produciendo amortiguamiento. 3uando el impulso sísmico !iaja a tra!és de las diferentes capas las altas frecuencias son absorbidas m"s r"pidamente ue las bajas frecuencias. 'stas limitaciones podrían ser superadas al realizar tratamiento $ procesamiento de las seBales para realzar la llegada de las ondas # con filtros de polarización $ an"lisis de contenido frecuencial, rutinas usualmente disponibles en pauetes de softEare sismológico especializado.

Metodolo"%as de C&lculo +e las suposiciones generales del método $ de los principios $ le$es se deri!an los métodos de an"lisis de las dromocronas identificadas. Los métodos m"s comunes son5 tiempos de intercepto, !elocidades aparentes, frentes de onda, tiempos de retardo $ trazado de ra$os.

'stos métodos est"n completamente desarrollados $ documentados en di!ersos libros de geofísica aplicada, $ algunos de ellos an sido implementados en di!ersos programas de computador para agilizar los c"lculos.

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'n general, los métodos de interpretación $ c"lculo en refracción sísmica se diferencian por las suposiciones ue implican $ los modelos de suelo ue estudian, así como por sus capacidades de aproximarse mejor a la topografía real de los refractores $ al perfil de !elocidades.

 1 continuación se describen bre!emente los métodos.

a) Tiempos de intercepto

Las ondas originadas en el punto de disparo una !ez refractadas en los contactos de los medios, determinan los tiempos de llegada de las ondas en los geófonos en superficie. 'stos tiempos se incrementan con la distancia $ la profundidad de penetración de las ondas. +e la cur!a t2x, el método utiliza la pendiente de las dromocronas para calcular la !elocidad de los refractores; $ los tiempos de intercepto de las dromocronas con el eje del tiempo para calcular las profundidades. 'ste método es usado para modelos de un refractor plano o m(ltiples refractores planos.

b) Velocidades aparentes

Fas"ndose en el principio de las !elocidades aparentes, este método permite la identificación de !elocidades $ profundidades para modelos con capas inclinadas paralelas, utiliza los tiempos de intercepto en el origen de un tendido directo $ de su re!erso. 'l método supone ue la !elocidad de cada uno de los estratos es constante %medios omogéneos& $ ue la pendiente del refractor también lo es.

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c) Frentes de onda

'l método de los frentes de onda es una extensión del rincipio de Hu$gens. 'ste método es mu$ apropiado para describir refractores ondulados. 's un método grafico ue se apo$a en el trazado de frentes de onda pro!enientes de puntos de disparo conjugados de tal manera ue se pueda definir un punto intermedio en el refractor, tal ue la suma de los tiempos de !iaje, entre los puntos de disparo asta los puntos de emergencia de las ondas refractadas desde el punto intermedio, sea igual al tiempo total de !iaje entre los puntos de disparo conjugados.

d) Tiempos de retardo

'ste es un método (til en el caso de refractores con topógrafas ue no son mu$ accidentadas, o ue presentan mucas cur!aturas.