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3. PROSPECCIN SISMOLGICA, SONDEOS SSMICOS DEREFRACCIN

El mtodo geofsico que ha proporcionado mayor informacin acerca delinterior de la Tierra, y ha delimitado los yacimientos de hidrocarburos conmejor resolucin que cualquier otro, es la sismologa.

Las ondas generadas durante un terremoto o evento ssmico arti!cial", sesometen a detallados estudios que brindan una relevante informacinacerca de la estrati!cacin de las capas y de las discontinuidades en elinterior de la Tierra.

El primer mtodo sismolgico practicado con !nes de ingeniera fue el de#refraccin$, con el que se logr interpretar%

&resencia de cuerpos de alta velocidad

&rofundidad al techo de cuerpos de alta velocidad

'radientes de velocidad

(e las desventajas para aplicar la sismologa se tienen

Los materiales suaves con!nados por aquellos densos no son

detectados )na capa de espesor menor a un*cuarto de la profundidad al techo

del mismo, no se detecta.

3.1 Propagacin d !a" onda" !#"$ica" n %n &dio

El movimiento ondulatorio est+ regido por dos principios fundamentales% elde uyghens y el de -ermat.

El &rincipio de uyghens establece que todo frente de onda se comportacomo un nuevo centro generador de ondas.

El &rincipio de -ermat indica que el movimiento ondulatorio entre dospuntos sigue la trayectoria de tiempo mnimo.

mbos principios est+n ntimamente ligados al concepto de onda ytrayectoria, y es en los dos en los que se basa el mtodo de e/ploracinsmica.

El frente de onda es el lugar geomtrico de todos los puntos que tienen el

mismo estado de vibracin, o igual tiempo de viaje0 mientras que latrayectoria indica la direccin y sentido de la propagacin del movimientoondulatorio0 la trayectoria siempre ser+ perpendicular al frente de onda.

&ara cualquier tipo de medio, la trayectoria seguir+ el camino de m+s altavelocidad, lo cual depender+ de la distribucin de las velocidades.

1i a travs de cualquier fuente de energa se generan las ondas el+sticasque se propagan en el medio a velocidades caractersticas0 algunas sonrefractadas y otras son re2ejadas0 con esos conceptos resultaron losmtodos de refraccin y re2e/in ssmica.

Los principales trabajos de e/ploracin en cualquier proyecto de ingenierapetrolera o civil, siempre comien3an con los ssmicos de refraccin, los

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cuales pueden ser someros ingeniera aplicada" o profundos geofsicapura". La sismologa de re2e/in se utili3a en trabajos a escala regional, ode detalle0 las aplicaciones principales se tienen en%

(iferenciar los tipos de estructuras 4onstruir mapas de estructuras

Encontrar la relacin entre tendencias estructurales,

Evaluar la velocidad de propagacin en sedimentos

4aracteri3ar la estratigrafa

)bicar 3onas de presin anormal

(e!nir inconformidades

Locali3ar hiatos

nali3ar los ambientes de depsito,

(ireccin de fuentes de sedimentos

3.' E! #ng%!o cr($ico d incidncia, ) ! $i&po &(ni&o d $r#n"i$o

)tili3ando el &rincipio de uyghens, y atendiendo la fsica de la !g 5.6donde se muestra el tr+nsito de un frente de onda interactuando en unadiscontinuidad con velocidades 76 para la capa superior, y 78 para lainferior se tiene%

)n frente de onda 9 limitado por dos trayectorias, avan3a a unadiscontinuidad con una velocidad 76 hasta formar un +ngulo de incidencia#i$ con la normal a la discontinuidad.

(espus de un intervalo de tiempo :t, el frente de onda 9, llega a la

posicin 4(0 en el punto #4$ comien3a a vibrar, teniendo despla3amientosproporcionales a los medios 76 y 78.

En otro lapso de tiempo :t, el punto #($ avan3a hacia el punto #E$permaneciendo en el estado de vibracin el punto #4$. (e donde resulta eldespla3amiento #4-$ en el medio de velocidad 76 y 4' para el medio develocidad 78. ;eali3ando el +lgebra y geometra, se obtienen la &rimera y1egunda Ley de 1nell, para la re2e/in y refraccin respectivamente%

sen i

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3.3 *ipo" d onda" "("&ica"

4uando un medio homogneo se somete a un esfuer3o en ?s?, se generantres pulsos el+sticos que viajan en todas direcciones a diferente velocidad0

dos de ellos son las ?ondas de cuerpo?, que se propagan en forma defrentes esfricos, mientras que el tercero son las ondas de super!ciecon!nadas en la parte somera y cuya amplitud decae r+pidamente en elcuerpo y a profundidad. Las ondas de cuerpo se dividen en las decompresin o primarias, y las transversales o de corte.

3.3.1 Ondas de Compresin

Las ondas de compresin se propagan en la super!cie y subsuelo !g 5.8",retornando por re2e/in y refraccin0 poseen las velocidades m+s altas yarriban antes que ninguna otra0 se denotan con #7p$. La velocidad depropagacin en los materiales geolgicos vara de acuerdo con%

'rado de acide3 de la roca

'rado de saturacin de cualquier 2uido

4onsolidacin, consistencia y compactacin

4antidad de agua retenida en los poros

-racturamiento

lteracin

(ensidad

7eje3

&rofundidad

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3.3.2 Ondas de Corte.

Las ondas

de corte#7s$ son

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tambin ondas de cuerpo pero se propagan en trayectorias perpendicularesa las #7p$ !g 5.5".

&resenta dos componentes, si se tienen los tres ejes de referencia% #/$, #y$ y#3$, siendo el eje #/$ la direccin de movimiento, las componenteshori3ontales de las ondas de corte ser+n% #7sy$ y #7s3$, mucho m+s lentasque las de compresin.

1inconsiderar las temperaturas bajas e/tremas, las ondas de corte no sepropagan en ning@n 2uido.

3.3.3 Ondas Rayleigh

Las ondas super!ciales son en e/tremo mucho m+s lentas y de formacompleja que las ondas de cuerpo. 1u tiempo de propagacin es 8AB menora las #7s$, son de baja frecuencia, y se dividen en dos tipos% las ;ayleigh ylas Love.

3.+ Pr#c$ica d! &$odo d r-raccin "("&ica

La !g 5.C corresponde a un tendido ssmico tpico0 los frentes de ondaviajan a velocidades caractersticas a travs de la masa del medio, desde lafuente de energa punto golpe de martillo", hasta los censores gefonos".

El frente de onda arriba a los geponos, despus de un tiempo # t # dependede la distancia #d # al martillo, y tanto de la elasticidad como de la densidaddel medio. Los arribos de las ondas producen vibraciones en el gefono queson ampli!cadas por el sismgrafo y visuali3adas en la pantalla del mismo.

La !g 5.D muestra el sismograma, o vibracin del terreno mediante lae/citacin arti!cial.

)na ve3 establecidos los objetivos de la e/ploracin ssmica y seleccionadoel sitio para la pr+ctica del sondeo ssmico, se !jan los intervalos demedida, registrando el tiempo de arribo en cada gepono !g 5.", seforman las gr+!cas tiempo* distancia, conocidas como #4urvas(omocrnicas$ en las que el inverso de la pendiente #m$ de cada una de lasrectas, representa la velocidad del estrato.

El c+lculo de los espesores de cada estrato se determina de maneraanaltica, seg@n las e/presiones siguientes%

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El /ito de la aplicacindel mtodo derefraccin ssmicadepende de la calidadde las ondas

generadas.

Las ondas #&$ y #1$ son las m+s socorridas en los estudios de ingeniera, lasondas #7p$ se producen mediante e/plosivos, pistola, fuente martillo semi*hidr+ulico, peso dejado caer, y de manera usual con un martillo.

Las ondas #1$ son las m+s difciles de producir, se emplean en ingenierapara determinar los mdulos el+sticos din+micos, perodos fundamentalesde vibracin, estabilidad de cortes para la construccin de bordos, presas,t@neles, estabilidad de masas rocosas, construccin de plantas nucleares yedi!cios, entre otros.

En el sismograma se tiene la di!cultad de seleccionar la onda de corte enmedio de una complicada seFal que contiene las provenientes de todasdirecciones, refracciones, re2e/iones, ondas ;ayleigh, Love, y hasta ruido.E/isten cuatro maneras de medir las ondas de corte #7s$, ellas son%

crosshole, doGnhole, uphole, y refraccin, Esta @ltima es la manera m+scom@n, mediante gefonos de componentes hori3ontal.

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3. E/a!%acin d !o" &d%!o" !#"$ico" din#&ico", an#!i"i" d !a"d-or&acion" ) d$r&inacin d! &odo -%nda&n$a! d /i0racind !o" &a$ria!" go!gico", ) dd%cido" d !a "i"&o!og(a dr-raccin

4uando un terremoto o golpe perturba el interior o super!cie terrestre, eldisturbio se transmite punto a punto del medio contnuo por medio de lasondas el+sticas, las que dependen de las constantes el+sticas del medio enel que se propagan, a una velocidad mucho menor que la de la lu3.

La elasticidad de un cuerpo es la medida de aquella parte de deformacinque provoc la aplicacin del disturbio, y que desaparece al ser suprimido.

Las deformaciones su!cientemente pequeFas y proporcionales al esfuer3o,se estudian mediante la Ley de ooHe0 las IconstantesJ el+sticas delmaterial se de!nen mediante los mdulos el+sticos din+micos.

4uatro son los mdulos el+sticos en el estudio de materiales%

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3.5.1 Relacin de Poisson ( Q )

Es la relacin entre los cambios unitarios de +rea de la seccin transversal yla deformacin longitudinal.

La velocidad de propagacin de las ondas ssmicas est+n relacionadas con

las propiedades el+sticas del medio de propagacin0 entonces, la ;elacinde &oisson queda dada como%

Kientras que las constantes de Lam l , m " y la densidad del material )est+n relacionadas a las velocidades de propagacin por%

La aplicacin de la sismologa en problemas de geotecnia es de altacon!abilidad.

Los materiales de la corte3a terrestre presentan un rango de velocidadesque va de 6AA a AAA m>s0 sus frecuencias oscilan entre 6A y 8AA ert3, laslongitudes de onda van de 6 a AA m, entonces, los cuerpos buscados eningeniera con dimensiones de 6 a 5A m son detectados f+cilmente. Los

Kdulos El+sticos quedan e/presados como% La r!acin d Poi""on3.12.

3.5.2 Modlo de !ong ( " ).

Es la relacin entre esfuer3o unitario y la deformacin longitudinal unitaria,tal y como se presenta en la !g 5., esto es, para la compresin y tensinrespectivamente.

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3.5.3 Modlo de Rigide# ( $ )

Es la relacin entre el esfuer3o transversal unitario y el despla3amientorelativo de los planos de desli3amiento !g 5.M"0 mientras que la e/presinque lo de!ne est+ dada por%

3.5.% Modlo de &l' ( & )

Es la relacin entre la presin hidrost+tica y el cambio de volumen unitario!g 5.N" incompresibilidad volumtrica0 y se determina evaluando lasiguiente e/presin%

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3..2 "strctra de toas y rocas en n sitio para constrir nedi*cio

En un sitio donde se proyecta construir un edi!co se encuentran estratos detobas y rocas0 la manera m+s e!ciente de evaluarlo es mediante lasismologa de refraccin determinando espesores, velocidades, y evaluar losmdulos el+sticos con los que se puede calcular las deformacionesinmediatas o el+sticas. La !g 5.66 informa acerca del bloque diagram+tico yla estructura, mientras que la tabla 5.5 presenta los mdulos el+sticosdin+micos.

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3..% +eterminacin de los mdlos el,sticos para e-alacin de laestailidad y deormaciones de na casa en na ladera

La !g 5.65 presenta una vista de un terreno de poniente a oriente ubicado

en una ladera donde se pretende construir una casa0 para determinar laestabilidad y las deformaciones posibles se reali3aron los sondeos ssmicos

que aparecen la gr+!ca tiempo*distancia de la !g 5.6C.

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La !g 5.6D corresponde a la estratigrafa y estructura interpretada de lasgr+!cas tiempo*distancia, la super!cie potencial de falla en el equilibriolmite con un factor de seguridad de 6.N, y la malla deformada comoresultado de la interaccin roca* cimiento*estructura, utili3ando cdigo&LOP1 y 1LQ&E>G.

Todos los datos de los mdulos el+sticos din+micos, como la ;elacin de&oisson R ", Kdulo de ;igide3 ' " y Kdulo de Soung E " se evaluaroncon la sismologa de refraccin0 los pesos volumtricos se determinaron enel laboratorio.

(ebe notarse que los vectores de despla3amiento coinciden con lasuper!cie potencial de falla, determinada con el an+lisis del factor deseguridad en el equilibrio lmite.