IContents

I

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Easy RefractPart I Easy Refract 1

................................................................................................................................... 21 Introducción

................................................................................................................................... 82 Datos generales

................................................................................................................................... 93 Importación de las trazas

................................................................................................................................... 124 Filtraje de datos

................................................................................................................................... 135 Búsqueda de las primeras llegadas

................................................................................................................................... 166 Dromocronas

................................................................................................................................... 197 Interpretación GRM

................................................................................................................................... 218 Comportamiento morfológico de los refractores

................................................................................................................................... 229 Bibliografía

Part II Contactos 23

Index 0

Easy Refract1

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1 Easy Refract

Easy Refract

Características principales de Easy Refract

· Posibilidad de importar trazas desde archivos estándar SEG-2, SEGY,

SU o desde archivos ASCII;

· vista de la zona en estudio con Google Maps y posibilidad de

personalizarla;

· los sismogramas se importan sin restricciones de número de impactos;

· identificación de las primeras llegadas en los sismogramas, para los

cuales se puede seleccionar el factor de zoom;

· completo control en la definición de las dromocronas;

· determinación del XY óptimo en los gráficos de la función velocidad y

de la función tiempo-profundidad;

· personalización de la estratigrafía mediante el uso de texturas;

· interfaz con otros software de GeoStru;

· exportación de todos los gráficos en formato imagen;

· creación del informe y exportación del mismo en formato RTF, DOC,

DOCX, PDF, HTML, JPEG, etc.

La interfaz gráfica del software ha sido estudiada para permitir el uso

sencillo e inmediato del producto. Se puede acceder a todas las

secciones mediante el menú lateral izquierdo o por medio de los botones

de la barra superior. El usuario será guiado con comandos que se activan

en función del correcto avance de las operaciones.

Easy Refract 2

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La elaboración de un ensayo se completa con los siguientes pasos:

· Datos generales;

· Importación de las trazas;

· Análisis de las dromocronas;

· Interpretación GRM;

· Comportamiento morfológico de los refractores.

1.1 Introducción

La prospección por refracción sísmica permite interpretar la estratigrafía

del subsuelo gracias al uso del principio físico del fenómeno de la

refracción total de una onda sísmica que incide sobre una interfase

localizada entre dos cuerpos con diferentes propiedades mecánicas,

(horizonte de refracción). La condición fundamental para llevar a cabo

estudios de sísmica por refracción es que la sucesión de los estratos a

investigar se caracterice por velocidades sísmicas crecientes al

aumentar la profundidad. De este modo se pueden evaluar hasta 4 ó 5

horizontes de refracción diferentes.

Los ensayos se basan en la medición de los tiempos de recorrido de las

ondas elásticas para las cuales -suponiendo amplias superficies de

separación con respecto a la longitud de onda o en todo caso con una

débil curvatura- los frentes de onda se representan por medio de los

relativos rayos sísmicos. El análisis se basa en el principio de Fermat y en

la ley de Snell.

El principio de Fermat establece que el rayo sísmico recorre la distancia

entre la fuente y el receptor siguiendo el trayecto para el cual el tiempo

empleado de recorrido es mínimo. En este principio, dado un plano que

separa dos medios con diferentes características mecánicas, el rayo

Easy Refract3

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sísmico es el que se extiende a lo largo de un plano perpendicular a la

interfase que contiene tanto la fuente como el recibidor.

La ley de Snell es una fórmula que describe los tipos de refracción de un

rayo sísmico en la transición entre dos medios caracterizados por

diferentes velocidades de propagación de las ondas o, equivalentemente,

por diferentes índices de refracción. El ángulo formado entre la interfase

y el rayo se denomina angulo de incidencia θi, mientras que el formado

entre el rayo refractado y la superficie normal se denomina ángulo de

refraccion θr. La formula matematica es:

ri vv sinsin 12

(1)

Donde v1 e v

2 son las velocidades de los dos medios separados por la

interfase.

Cuando v1 > v

2 se tiene que θ

i > θ

r y por lo tanto la sísmica por

refracción nos es factible ya que el rayo refractado se inclinaría hacia

abajo. Cuando v1<v

2 se tiene que θ

i < θ

r y existe un ángulo crítico de

incidencia por lo que θr = 90° y el rayo refractado viaja paralelamente a

la interfase. La expresión que define el ángulo crítico e:

)/arcsin( 21 vvi

(2)

La forma más sencilla de analizar los datos de refracción es

construyendo un gráfico tiempo-distancia cuyo origen corresponda a la

fuente de generación de las ondas elásticas. En el eje de las abscisas

se representan las posiciones de los geófonos y en las ordenadas los

tiempos de primera llegada. A los geófonos más cercanos a la fuente

llegan primero los impulsos que han seguido el recorrido directo en un

tiempo T dado por la relación

1/VxT i

(3)

Donde xi es la distancia entre el punto de disparo y el punto de detección.

La ecuación (3) una recta que pasa por el origen de los ejes tiempos-distancias y

su coeficiente angular permite calcular la velocidad V1 del primer medio como

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tan/11 V (4)

Los tiempos de llegada de los rayos refractados en el diagrama tiempos-distancias

se disponen según una recta que tendrá una inclinación menor a la de las ondas

directas.

La curva tiempos-distancias tiende a un comportamiento regular según una

polilínea cuyos vértices se denominan codos, los cuales representan, físicamente,

la condición donde se da la llegada contemporánea de las ondas directas y la

refractadas. Por lo tanto para cada uno de los segmentos se determina el tiempo

de retraso ti que representa la diferencia entre el tiempo que el rayo sísmico

emplea en recorrer un tramo a la velocidad propia del estrato en el cual se

transmite y el tiempo que emplearía para viajar a lo largo del componente horizontal

de ese tramo a la máxima velocidad alcanzada en toda la trayectoria de refracción.

Gráficamente el tiempo de retraso está dado por la intersección de la recta que

comprende un segmento de la curva tiempo-distancia con el eje de los tiempos.

Easy Refract5

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Entonces, conociendo los tiempos ti es posible obtener los espesores de los refractores

mediante la relación:

)2(1

2)2(

2)2(

1

21

21

2)1(

2

)1(

)1(

2...

2

2 i

iii

i

ii

ii

ii

iVV

VVh

VV

VVht

VV

VVh

(5)

En situaciones morfológicamente complejas, como método de elaboración se puede

utilizar el Método de reciprocidad generalizada (Generalized Reciprocal Method)

examinado por Palmer en 1980.

Este método se basa en la búsqueda de una distancia virtual XY entre geófonos talque los rayos sísmicos que parten de puntos de disparo simétricos respecto altendido, lleguen al geófono colocado en la posición X y al colocado en la posiciónY, proviniendo desde un mismo punto del refractor.

El primer paso operativo es construir un diagrama tiempos-distancias identificandoen los sismogramas obtenidos con los datos de campo, las primeras llegadas delas ondas sísmicas. Para determinar la distancia óptima XY es necesarioconsiderar varios puntos de disparo, tanto de los extremos como del interior del

Easy Refract 6

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tendido. Esto hace posible identificar con más precisión los tiempos relativos deun mismo refractor que sirven para caracterizar las dromocronas, las cuales sonfundamentales para la interpretación. En las interpretaciones multi estratos, paragenerar las dromocronas se puede aprovechar las técnicas de phantoming y asísuperar la falta de datos de algunos refractores.Partiendo de la construcción de las dromocronas es posible determinar la funciónvelocidad según la ecuación

2121 sSSXSYS

v

TTTT

(6)

Donde TS1Y y TS2X son los tiempos de recorrido de los rayos sísmicos para

llegar, respectivamente, de la fuente S1 a X y de la fuente S2 a Y, mientras que

TS1S2 es el tiempo de recorrido entre dos puntos de disparo S1 y S2,

externamente simétricos con respecto al tendido. Tv es el tiempo calculado en un

geófono G puesto entre X y Y, no necesariamente coincidente con la posición de

un geófono del tendido.

El cálculo de la función Tv se lleva a cabo para cada valor de XY comprendido

entre cero y la mitad del tendido con variación igual a la distancia real entre los

geófonos del tendido. La mejor recta de regresión de las funciones de velocidad

obtenidas, permite determinar el XY óptimo y la velocidad del refractor que se

obtiene del coeficiente angular.

Mediante la función tiempo-profundidad es posible encontrar la profundidad del

refractor expresada en unidad de tiempo. Dicha función se expresa con:

Easy Refract7

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2

2121

n

SSXSYS

G

V

XYTTT

T (7)

Donde Vn es la velocidad del refractor.

De la misma manera que con la función velocidad, se determinan varias funciones

tiempo-profundidad para el conjunto de los valores XY en estudio. Entre las

funciones encontradas, la que presente la mayor articulación compete al valor

óptimo de XY.

Finalmente, es posible determinar el espesor del refractor en las correspondientes

posiciones de los geófonos G mediante la relación:

G

nG

T

XYVTh

2

(8)

h representa la profundidad mínima desde el geófono G por lo tanto la morfología del

refractor se define con la envolvente de las semicircunferencias de rayo h.

Una de las principales ventajas del G.R.M. es que el factor de conversión de la

profundidad es relativamente insensible a las pendientes hasta aproximadamente

20°

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1.2 Datos generales

El menú datos generales permite incluir la información de carácter

general de un ensayo específico:

· descripción del ensayo;

· cliente;

· datos de la zona;

· localidad;

· operador del ensayo;

· responsable del ensayo;

· fecha del ensayo.

Además, indicando la latitud y la longitud o la zona, se puede visualizar,

a la derecha de la pantalla, la posición del ensayo en Google Maps.

Seleccionando esa imagen mediante el botón "capturar vista" se obtiene

la posibilidad de personalizarla tal como se desea para que aparezca en

el informe final.

En la imagen se pueden insertar los objetos línea, rectángulo, elipse y

texto personalizando la trasparencia de la forma y los colores de las

líneas y del fondo.

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NotaPara poder usar esta función es necesario que el ordenador esté

conectado a Internet.

1.3 Importación de las trazas

En esta sección se importan los datos a elaborar. Es posible importar

trazas de archivos estándar SEG-2 (con extensión .sg2 ó .dat), SEGY, SU

y Ambrogeo.

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La ventana permite seleccionar el número de impactos a utilizar en el

ensayo e importar, para cada uno de ellos, los datos sísmicos. Los

impactos se deben insertar partiendo desde el más externo, efectuado a

la izquierda del tendido.

Para insertar un impacto basta con pinchar "Añadir impacto". Las trazas

se importan apretando el lado derecho del mouse y seleccionando

"Importar trazas...": aparece la ventana de selección del archivo.

Se puede utilizar la función "invertir trazas" para invertir el orden de las

trazas registrado en el archivo.

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Después de haber importado el primer archivo, el software pide definir la

geometría del tendido:

Los valores de la tabla se pueden insertar manualmente o bien dejar que

el software complete automáticamente. Per asignar las posiciones a lo

largo de la dirección X es necesario establecer el número de geófonos, la

posición del primer geófono y la distancia entre geófonos; para la cota,

en cambio, se necesita asignar algunos valores en la tabla y el software,

por interpolación lineal, determina los datos que faltan.

Si los archivos a importar están en formato SEG2 o SEGY, los valores de

la geometría del tendido se leen automáticamente del archivo.

Para una correcta elaboración es indispensable que a cada impacto se le

asigne la posición de la fuente con respecto al sistema de referencia

seleccionado.

Nota

Easy Refract 12

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El programa está en grado de operar también sin el uso de

los datos sísmicos. En este caso es necesario establecer

correctamente la geometría de los geófonos y fijar

manualmente, en la tabla de los impactos, las primeras

llegadas.

1.4 Filtraje de datos

El software permite maniobrar las trazas adquiridas ofreciendo la

posibilidad de aplicar un filtro pasa bajo. Haciendo clic sobre el botón de

la barra se abre la ventana donde se establecen los parámetros del filtro.

La ventana presenta dos gráficos donde se representan las

transformadas de Fourier de las trazas asociadas al impacto activo: el

gráfico superior corresponde a las trazas sin filtro mientras que el inferior

muestra los efectos de la operación de filtraje en la frecuencia

seleccionada.

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La frecuencia de corte del filtro se puede establecer manual o

gráficamente, valiéndose del mouse sobre el gráfico superior.

Para una correcta elaboración de filtraje de las trazas es necesario

determinar cuál es el componente de ruido que se desea eliminar. En el

ejemplo de la imagen se han establecido como componentes útiles de las

señales las frecuencias hasta 200 Hz, mientras que han sido cortadas las

superiores que, en amplitud, aparecen mucho menos pronunciadas que

las primeras.

Por último, la opción Eliminar offset permite corregir el desplazamiento

del nivel de una señal eléctrica con respecto al nivel de referencia cero.

1.5 Búsqueda de las primeras llegadas

La búsqueda de las primeras llegadas se efectúa haciendo clic

directamente sobre el sismograma o insertando los tiempos en la tabla.

Las marcas rojas en el sismograma muestran los valores seleccionados

para cada traza.

Easy Refract 14

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El software cuenta con un sistema automático de picking que permite

una identificación preliminar de las primeras llegadas. Tal opción se

encuentra en el menú Trazas de la barra.

El algoritmo implementado sigue la metodología conocida como Energy

Ratio Method. Esta metodología identifica una ventana temporal de la

señal que se divide en dos intervalos iguales sobre los que se calcula la

energía de la señal. El valor máximo de la relación entre las energías

calculadas para las dos ventanas representa la primera llegada de la

onda.

Analíticamente la función energy ratio (er) se determina así:

12

1

2

)(

)(

)(i

Lij

Li

ij

isn

isn

ier

donde L representa el ancho de la ventana en muestras.

De acuerdo con lo anterior, es necesario asignar como parámetro de

análisis el ancho de la ventana a utilizar (es un valor asignado en ms que

después será convertido, mediante el periodo de muestreo, en número

de muestras). El parámetro L, generalmente, se selecciona igual a una

longitud de onda de la señal, reconocible en el sismograma como tiempo

necesario para una oscilación completa o como distancia temporal entre

dos crestas.

El último parámetro a definir es el tiempo dentro el cual se desea

determinar las primeras llegadas. Esta definición es indispensable para

mejorar la búsqueda mediante el algoritmo de la mejor relación

señal/ruido.

Algunas opciones gráficas permiten un control más preciso de la fase de

selección de las primeras llegadas.

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Con el botón "Amplificación trazas..." se pueden alterar las vistas de las

trazas aplicando un factor amplificativo. Se puede seleccionar un factor

para cada una de las trazas, de cada uno de los archivos utilizados en la

elaboración.

La técnica de completamiento automático de los datos faltantes

determina el factor de amplificación mediante interpolación lineal de los

lados distintos de cero introducidos en la tabla.

Las otras opciones de visualización permiten fijar la ventana de trabajo

("Tiempo máx. visualizado"), expandir o comprimir los ejes ("Time zoom"),

ver solo una traza y destacar las partes positivas o negativas de las

ondas.

Además, activando la opción "Ver zoom en ventana separada" se

muestra, en una ventana separada, el detalle de la onda para la cual se

está buscando la primera llegada y en esta ventana es también posible

seleccionar el intervalo de amplitud temporal para el gráfico.

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1.6 Dromocronas

Las domocronas se calculan en función de las primeras llegadas. El

usuario puede determinar los puntos de los codos usando el mouse

directamente sobre el gráfico. Basándose en la selección hecha, el

software asigna los puntos al correcto refractor y determina la velocidad

promedio del estrato para cada impacto.

Easy Refract17

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Mediante la opción "Selección automática" el software puede estimar una

distribución de los puntos de codo en función del número de estratos

seleccionado.

Las operaciones que se pueden llevar a cabo en la fase de definición de

las dromocronas son:

· Asignar: haciendo clic en el gráfico sobre un impacto se introduce un

punto de codo;

· Mover: es posible trasladar un codo arrastrándolo con el mouse;

· Eliminar: haciendo clic sobre un punto, se cancelan los respectivo

codos;

· Eliminar todos los codos: permite eliminar todos los codos definidos

con el impacto activo, o sea el seleccionado en la tabla.

Al identificar las dromocronas de los impactos externos puede suceder

que se encuentre algún codo que no corresponda al primer refractor.

Esto sucede, por ejemplo, cuando las llegadas directas no son realmente

visibles en el diagrama tiempos-distancias. Por lo tanto, con estos

impactos, es útil configurar el software para que considere

correctamente el refractor inicial sobre el cual calcular la dromocrona.

Para esto están disponibles una serie de opciones gráficas que permiten

operar con mayor precisión.

Se puede elegir visualizar:

· Shot: una línea que une los puntos tiempos-distancias;

Easy Refract 18

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· Dromocronas: dromocronas de cada impacto;

· Velocidad: velocidad calculada para la configuración actual de todas

las dromocronas con todos los diferentes impactos;

· Menú desplegable para elegir el diagrama con un solo impacto o con

todos los ensayos ;

· Menú desplegable para elegir trazar solo las llegadas directas, solo las

llegadas inversas o ambas.

Además, una opción avanzada de trabajo aparece en el menú que se

activa haciendo clic con el lado derecho del mouse sobre el gráfico de

las dromocronas. Esta opción permite incluir o excluir el punto asociado a

la posición de la fuente en el cálculo de las llegadas directas y puede ser

útil para las explosiones externas cuando la posición de la fuente se

encuentra muy lejos del primer geófono.

El cálculo de las dromocronas elaboradas se efectúa en el caso de

elaboraciones con el método recíproco y con el método recíproco

generalizado. Considera todos los puntos tiempo-distancia asignados a

los diferentes refractores mediante la selección y el posicionamiento de

los codos para los impactos y aplica el phantoming en los puntos donde

los datos no son elaborables. La técnica de phantoming se aplica de

modo que los datos introducidos sigan el comportamiento de los datos

reales y por lo tanto su precisión depende del número de puntos con los

cuales está identificado un refractor.

El botón Cálculo dromocronas elaboradas resalta en primer plano las

dromocronas calculadas y, en transparencia, los otros datos de trabajo.

Para operar nuevamente con las dromocronas y modificar los codos

basta con volver a pinchar Cálculo dromocronas elaboradas.

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1.7 Interpretación GRM

Mediante el análisis de las dromocronas el software elabora y muestra la

función velocidad y la función tiempo-profundidad según las ecuaciones

(6) y (7). En los gráficos se representan las funciones para los valores

de XY comprendidos entre 0 y la mitad de la distancia de cobertura del

tendido. La cuantía del incremento del valor de XY es igual a la distancia

real entre los geófonos del tendido.

Los dos gráficos son necesarios para determinar el valor óptimo de XY. El

gráfico de la función velocidad permite hacer una evaluación

comparativa para todos los valores de XY considerados. En este gráfico

se trazan las funciones de regresión y el correspondiente valor de la

desviación estándar. Haciendo clic sobre el botón que tiene dos flechas

dibujadas, el programa es capaz de determinar automáticamente el valor

XY óptimo, seleccionando la recta con la menor desviación estándar.

El gráfico de la función tiempo-profundidad, por su parte, resalta la

articulación que asume la función con cada valor XY considerado.

El valor de XY a utilizar en la elaboración se puede elegir manualmente o

bien haciendo clic sobre los gráficos en el punto de la curva con menor

desviación estándar o con articulación máxima.

Nota

Easy Refract 20

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El eje de las ordenadas está expresado en segundos.

Sin embargo solo la función con XY=0 se presenta en

escala, mientras que las otras se representan con un

shift temporal.

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1.8 Comportamiento morfológico de los refractores

La interpretación con el método GRM determina las velocidades promedio

en los estratos y el espesor de cada refractor por debajo del geófono.

Tal espesor representa la profundidad mínima desde el geófono, por lo

que la morfología del refractor está definida por la envolvente de las

semicircunferencias.

Nota

Los centros de las circunferencias necesarios para

determinar la morfología de los refractores coinciden

con los geófonos reales solo cuando XY = 0. De hecho,

para XY = d (suponiendo que d es la distancia real

entre los geófonos) las posiciones G, intermedia entre X

y Y, corresponden a los puntos intermedios de los

geófonos reales; para XY = 2d, las posiciones G son

numéricamente inferiores a los geófonos reales pero

están colocadas en correspondencia de algunos

sensores físicos, etc.

Con las opciones del menú diseño se pueden modificar algunas de las

propiedades del gráfico y añadir un texto personalizado.

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1.9 Bibliografía

Dooley, J. C., 1952, Calculation of depth and dip of several layers by

seismic refraction methods.

Faust, L. Y., 1951, Seismic velocity as a function of depth and geologic

time.

Goguel, F. M., 1951, Seismic re&action with variable velocity.

Hales, F. W., 1958, An accurate graphical method for interpreting

seismic refraction lines.

Hatherly, P. , 1976, A Fortran IV programme for the reduction and

plotting of seismic re&action data using the generalised reciprocal

method.

Jakosky, J. J., 1950, Exploration geophysics.

Lankston, R. W., 1990, High-resolution refraction seismic data acquisition

and interpretation.

Lankston, R. W., and Lankston, M. M., 1986, Obtaining multilayer

reciprocal times through phantoming.

Mota, L., 1954, Determination of dip and depths of geological layers by

the seismic refraction method.

Palmer, D., 1980, The generalized reciprocal method of seismic refraction

interpretation.

Redpath, B. B., 1973, Seismic refraction exploration for engineering site

investigation.

Scott, J. H., B. L. Tibbetts, and R. G. Burdick. Computer Analysis of Seismic

Refraction Data.

Scott, J. H., 1973, Seismic refraction modeling by computer.

Wyrobek, S. M., 1956, Application of delay and intercept times in the

interpretation of multilayer refraction time distance curves.

Easy Refract23

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