BENEMERITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA
FACULTAD DE INGENIERIA
COLEGIO DE GEOFISICA
MATERIA OPTATIVA: GEOFÍSICA APLICADA A LA GEOTECNÍA
RESUMEN DE LA NORMA ASTM D 5777
CATEDRÁTICO: MTRO. JOSÉ RAFAEL MARTÍNEZ PONCE
ALUMNO:
OSCAR ALEXIS TELLEZ DE LA CRUZ
PRIMAVERA 2020
201632041
Esta guía resume el equipo, los procedimientos de campo y los métodos de
interpretación utilizados para la determinación de la profundidad, el grosor y la
velocidad sísmica del suelo subterráneo y la roca o materiales de ingeniería,
utilizando el método de refracción sísmica.
Las mediciones de refracción sísmica como se describe en esta guía son aplicables
en condiciones de subsuelo de mapeo para diversos usos, incluyendo geológica,
geotécnica, hidrológica, ambiental, la exploración minera, explotación de petróleo,
y las investigaciones arqueológicas. El método de refracción sísmica se utiliza para
asignar condiciones geológicas incluyendo la profundidad hasta la roca madre, o a
la mesa de agua, estratigrafía, litología, estructura, y las fracturas o todos estos. La
velocidad de la onda sísmica calculada está relacionada con las propiedades del
material mecánicas. Por lo tanto, la caracterización del material (tipo de roca, el
grado de la intemperie, y fragilidad) se hace sobre la base de la velocidad sísmica
y otra información geológica.
La medición de las condiciones del subsuelo mediante el método de refracción
sísmica requiere una fuente de energía sísmica, un cable de activación (o enlace de
radio), geófonos, cable de geófono y un sismógrafo (ver Fig. 1).
Los geófonos y la fuente sísmica deben colocarse en contacto firme con el suelo o
la roca. Los geófonos generalmente se encuentran en una línea, a veces
denominada propagación de geófonos. La fuente sísmica puede ser un martillo, un
dispositivo mecánico que golpea el suelo o algún otro tipo de fuente de impulso. Los
explosivos se usan para refractores más profundos o condiciones especiales que
requieren mayor energía. Los geófonos convierten las vibraciones del suelo en una
señal eléctrica. Esta señal eléctrica es registrada y procesada por el sismógrafo.
El tiempo de viaje de la onda sísmica (desde la fuente hasta el geófono) se
determina a partir de la forma de onda sísmica. La figura 2 muestra un registro de
sismógrafo utilizando un solo geófono. La figura 3 muestra un registro sismógrafo
utilizando doce geófonos.
La fuente de energía sísmica genera ondas elásticas que viajan a través del suelo
o la roca desde la fuente, o ambas. Cuando la onda sísmica alcanza la interfaz entre
dos materiales de diferentes velocidades sísmicas, las ondas se refractan de
acuerdo con la Ley de Snell. Cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo
crítico en la interfaz, la onda refractada se mueve a lo largo de la interfaz entre dos
materiales, transmitiendo energía de regreso a la superficie (Fig. 1). Esta interfaz se
conoce como refractor.
Una fuente de energía sísmica produce una serie de ondas elásticas. Debido a que
la onda P compresiva tiene la velocidad sísmica más alta, es la primera onda en
llegar a cada geófono (ver Fig. 2 y Fig. 3).
La velocidad de onda P Vp depende del módulo de masa, el módulo de corte y la
densidad de la siguiente manera:
El sismógrafo registra la llegada de energía de la fuente sísmica a cada geófono
(Fig. 3). El tiempo de viaje (el tiempo que tarda la onda P sísmica en viajar desde la
fuente de energía sísmica al geófono) se puede determinar a partir de cada forma
de onda. La unidad de tiempo suele ser milisegundos (1 ms 5 0.001 s).
Los tiempos de viaje se trazan contra la distancia entre la fuente y el geófono para
hacer un diagrama de distancia de tiempo. La figura 4 muestra la fuente y el diseño
del geófono y el diagrama de distancia de tiempo idealizado resultante para una
tierra horizontal de dos capas.
El tiempo de viaje de la onda sísmica entre la fuente de energía sísmica y un
geófono es una función de la distancia entre ellos, la profundidad al refractor y las
velocidades sísmicas de los materiales a través de los cuales pasa la onda.
La profundidad de un refractor se puede calcular conociendo la fuente de la
geometría del geófono (espaciado y elevación), determinando las velocidades
sísmicas aparentes (que son las recíprocas de las pendientes de las líneas trazadas
en el diagrama de distancia de tiempo), y interceptar el tiempo o las distancias
cruzadas en el diagrama de distancia de tiempo (ver Fig. 4). El tiempo de
intercepción y las fórmulas de distancia y profundidad de cruce se han derivado en
la literatura (5–8). Estas derivaciones son sencillas en la medida en que se mide el
tiempo de viaje total de la onda sísmica, la velocidad en cada capa se calcula a
partir de la gráfica de tiempo-distancia y se conoce la geometría de la trayectoria
del rayo. Lo único desconocido es la profundidad del refractor de alta velocidad.
Estas fórmulas de interpretación se basan en los siguientes supuestos: (1) los
límites entre las capas son planos horizontales o que se sumergen en un ángulo
constante, (2) no hay relieve en la superficie terrestre, (3) cada capa es homogénea
e isotrópica, (4) la velocidad sísmica de las capas aumenta con la profundidad, y (5)
las capas intermedias deben tener suficiente velocidad de contraste, grosor y
extensión lateral para ser detectadas. La referencia (9) proporciona un excelente
resumen de estas ecuaciones para casos de dos y tres capas. Las fórmulas para
un caso de dos capas (ver Fig. 4) se dan a continuación.
Fórmula de tiempo de intercepción:
Fórmula de distancia de intersección:
Por lo general, de tres a cuatro capas son lo máximo que se puede resolver
mediante mediciones de refracción sísmica. La figura 5 muestra la fuente y el diseño
del geófono junto con el diagrama de distancia de tiempo resultante para un caso
idealizado de tres capas.
El método de refracción se utiliza para definir la profundidad o el perfil de la parte
superior de uno o más refractores, o ambos, por ejemplo, la profundidad hasta la
capa freática o la roca madre.
La fuente de energía generalmente se encuentra en o cerca de cada extremo de la
extensión del geófono; Se realiza una medición de refracción en cada dirección.
Estas se denominan mediciones directas e inversas, a veces llamadas
incorrectamente medidas recíprocas, a partir de las cuales se realizan gráficos de
distancia de tiempo separados. La figura 6 muestra la fuente y el diseño del geófono
y el diagrama de distancia de tiempo resultante para un refractor de inmersión. La
velocidad obtenida para el refractor de cualquiera de estas dos mediciones por sí
sola es la velocidad aparente del refractor. Ambas mediciones son necesarias para
resolver la verdadera velocidad sísmica y la caída de las capas (9) a menos que
haya otros datos disponibles que indiquen una tierra en capas horizontal.
Estas dos mediciones de velocidad aparente y el
tiempo de intercepción o la distancia de cruce se
pueden usar para calcular la velocidad,
profundidad y caída reales del refractor. Tenga
en cuenta que solo se obtienen dos
profundidades del refractor plano utilizando este
enfoque (ver Fig. 7). La profundidad de la
superficie de refracción se puede obtener debajo
de cada geófono utilizando un enfoque de
recopilación e interpretación de datos más
sofisticado.
La
mayoría de los estudios de refracción para aplicaciones geológicas, de ingeniería,
hidrológicas y ambientales se llevan a cabo para determinar profundidades de
refractores de menos de 100 m (aproximadamente 300 pies). Sin embargo, con
suficiente energía, las mediciones de refracción se pueden realizar a profundidades
de 1000 pies (300 m) y más.
Parámetros medidos y valores representativos:
El método de refracción sísmica proporciona la velocidad de las ondas P de
compresión en los materiales del subsuelo. Aunque la velocidad de la onda P puede
ser un buen indicador del tipo de suelo o roca, no es un indicador único. La Tabla 1
muestra que cada tipo de sedimento o roca tiene un amplio rango de velocidades
sísmicas, y muchos de estos rangos se superponen. Si bien la técnica de refracción
sísmica mide la velocidad sísmica de las ondas sísmicas en los materiales
terrestres, es el intérprete quien, basado en el conocimiento de las condiciones
locales u otros datos, o ambos, debe interpretar los datos de refracción sísmica y
llegar a una solución geológicamente razonable.
Según Mooney, las velocidades de la onda P son generalmente mayores para:
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Rocas más densas que rocas más ligeras;
Rocas más viejas que rocas más jóvenes;
Rocas ígneas que rocas sedimentarias;
Rocas sólidas que rocas con grietas o fracturas;
Rocas no erosionadas que rocas erosionadas;
Sedimentos consolidados que sedimentos no consolidados;
Sedimentos no consolidados saturados de agua que sedimentos no
consolidados secos; y
Suelos húmedos que suelos secos
El equipo geofísico utilizado para la medición de la refracción sísmica de superficie
incluye un sismógrafo, geófonos, cable de geófono, una fuente de energía y un
cable de activación o enlace de radio. Se encuentra disponible una amplia variedad
de equipos geofísicos sísmicos y se debe elegir el equipo para un estudio de
refracción sísmica con el fin de cumplir o superar los objetivos del estudio.
Una amplia variedad de sismógrafos está disponible de diferentes fabricantes. Van
desde unidades relativamente simples de un solo canal hasta unidades multicanal
muy sofisticadas. La mayoría de los sismógrafos de ingeniería toman muestras,
registran y muestran la onda sísmica digitalmente.
La mejora de la señal o el apilamiento de energía que mejora la relación señal /
ruido está disponible en la mayoría de los sismógrafos. Es una ayuda importante
cuando se trabaja en áreas ruidosas o con pequeñas fuentes de energía. La mejora
de la señal se logra agregando las señales sísmicas refractadas para una serie de
impactos. Este proceso aumenta la relación señal / ruido al sumar la amplitud de las
señales sísmicas coherentes al tiempo que reduce la amplitud del ruido aleatorio
promediando.
Un geófono transforma la energía de la onda P en un voltaje que puede ser
registrado por el sismógrafo. Para el trabajo de refracción, la frecuencia de los
geófonos varía de 8 a 14 Hz.
Los geófonos están conectados a un cable de geófono que está conectado al
sismógrafo (ver Fig. 1). El cable del geófono tiene puntos de conexión eléctrica
(tomas) para cada geófono, generalmente ubicados a intervalos uniformes a lo largo
del cable. Las ubicaciones de los geófonos están separadas de aproximadamente
1 ma cientos de metros (2 o 3 pies a cientos de pies), dependiendo del nivel de
detalle necesario para describir la superficie del refractor y la profundidad de los
refractores. En algunos casos, los intervalos del geófono pueden ajustarse en el
extremo de disparo de un cable para proporcionar información adicional de
velocidad sísmica en el subsuelo superficial.
Si las conexiones entre los geófonos y los cables no son impermeables, se debe
tener cuidado para asegurarse de que no se vean cortadas por la hierba mojada, la
lluvia, etc. Se requieren geófonos especiales impermeables (geófonos mersh),
cables y conectores de geófonos para áreas cubiertas con aguas poco profundas.
La selección de las fuentes de energía de refracción sísmica depende de la
profundidad de la investigación y las condiciones geológicas. Cuatro tipos de
fuentes de energía se usan comúnmente en encuestas de refracción sísmica:
martillos, dispositivos mecánicos de caída de peso o de impacto, fuentes de
proyectiles (disparadores) y explosivos.
Se debe enviar una señal de sincronización en el momento del impacto (t = 0) al
sismógrafo (ver Fig. 1). El tiempo de impacto (t = 0) se puede detectar con
interruptores mecánicos, dispositivos piezoeléctricos o un geófono (o acelerómetro),
o con una señal de una unidad de voladura. Si se usan tapas de granallado eléctrico,
deben ser del tipo sísmico para una sincronización precisa.
Una limitación fundamental de todos los métodos geofísicos es que un conjunto
dado de datos no puede asociarse con un conjunto único de condiciones
subsuperficiales. En la mayoría de las situaciones, las mediciones geofísicas de
superficie por sí solas no pueden resolver todas las ambigüedades, y se requiere
cierta información adicional, como los datos del pozo. Debido a esta limitación
inherente en los métodos geofísicos, un estudio de refracción sísmica por sí solo
nunca puede considerarse una evaluación completa de las condiciones del
subsuelo. Integrada adecuadamente con otra información geológica, la topografía
de refracción sísmica es un método altamente efectivo, preciso y rentable para
obtener información del subsuelo.
Cuando se realizan mediciones de refracción sobre una tierra en capas,
generalmente se supone que la velocidad sísmica de las capas es uniforme e
isotrópica. Si las condiciones reales en las capas del subsuelo se desvían
significativamente de este modelo idealizado, entonces cualquier interpretación
también se desviará del ideal. Se introduce un error creciente en los cálculos de
profundidad a medida que aumenta el ángulo de caída de la capa. El error es una
función del ángulo de inmersión y el contraste de velocidad entre las capas de
inmersión.
El método de refracción sísmica es sensible a las vibraciones del suelo (ruido
variable en el tiempo) de una variedad de fuentes. Las variables espaciales
causadas por factores geológicos y factores culturales también pueden producir
ruido no deseado superpuesto a los datos.
Las fuentes ambientales de ruido incluyen cualquier vibración del suelo debido al
viento, el movimiento del agua (por ejemplo, las olas rompiendo en una playa
cercana), la actividad sísmica natural o la lluvia en los geófonos.
Las fuentes geológicas de ruido pueden incluir variaciones insospechadas en el
tiempo de viaje debido a variaciones laterales y verticales en la velocidad sísmica
de las capas subterráneas (por ejemplo, la presencia de grandes rocas dentro de
una matriz de suelo).
Las fuentes culturales de ruido incluyen vibraciones debido al movimiento de la
tripulación de campo, vehículos cercanos y equipos de construcción, aviones o
voladuras. Los factores culturales como las estructuras enterradas debajo o cerca
de la línea de reconocimiento también pueden causar ruido espacial variable que
conduce a variaciones insospechadas en el tiempo de viaje. En algunos casos, el
ruido eléctrico de las líneas eléctricas cercanas puede inducir ruido en cables de
geófonos largos.
Durante el curso del diseño y la realización de un estudio de refracción, se deben
considerar las fuentes de ruido ambiental, geológico y cultural y se debe indicar su
hora de ocurrencia o ubicación, o ambos. La forma exacta de la interferencia no
siempre es predecible, ya que no solo depende de la magnitud de los ruidos, sino
también de la geometría y el espaciado de los geófonos y la fuente.
Métodos alternativos: las limitaciones discutidas anteriormente pueden evitar el uso
efectivo del método de refracción sísmica, y se pueden requerir otros métodos
geofísicos o no geofísicos para investigar las condiciones del subsuelo.
FUENTE:
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ASTM D5777-18, Standard Guide for Using the Seismic Refraction Method
for Subsurface Investigation, ASTM International, West Conshohocken, PA,
2018, www.astm.org