Ondas sísmicas

Las ondas sísmicas son paquetes de energía de deformación elástica que se propagan hacia afuera desde una fuente sísmica, como un terremoto o una explosión.

Las fuentes adecuadas para la investigación sísmica o los métodos sísmicos generalmente generan trenes de ondas de corta duración,conocidos como pulsos, que contienen una amplia gama de frecuencias.

Excepto en las inmediaciones de la fuente, las tensiones asociadas con el paso de un pulso sísmico son diminutas y se puede suponer que son elásticas.

En este supuesto, las velocidades de propagación de los impulsos sísmicos están determinadas por los módulos elásticos y las densidades de los materiales a través de los cuales pasan.

Tipos de ondas sísmicas

Hay dos grupos de ondas sísmicas

• Ondas de cuerpo.
• Ondas de superficie.

Ondas de cuerpo

Las ondas de cuerpo pueden propagarse a través del volumen interno de un sólido elástico y pueden ser de dos tipos.

Las ondas sísmicas compresivas (las ondas longitudinales, primarias o P de la sismología sísmica) se propagan por esfuerzos uniaxiales compresivos y dilatados en la dirección del recorrido de la onda.

El movimiento de partículas asociado con el paso de una onda de compresión implica la oscilación, alrededor de un punto fijo, en la dirección de propagación de la onda (Fig. 1 (a)).

Las ondas sísmicas de corte (las ondas transversales, secundarias o S de la sismología del terremoto) se propagan por una tensión de corte puro en una dirección perpendicular a la dirección del recorrido de la onda.

Los movimientos de partículas individuales implican oscilación, alrededor de un punto fijo, en un plano en ángulos rectos a la dirección de propagación de la onda (Fig. 1 (b)).

Si todas las oscilaciones de partículas se limitan a un plano, se dice que la onda de corte está polarizada en el plano.

La velocidad de propagación de cualquier onda de cuerpo en cualquier material isotrópico homogéneo viene dada por: Ecuación 1

Por lo tanto, la velocidad vp de una onda de cuerpo de compresión, que implica una tensión de compresión uniaxial, viene dada por: Ecuación 2

o, como Ψ = K + 4/3 μ, por: Ecuación 3

y la velocidad frente a una onda de cuerpo de corte, que implica una tensión de esfuerzo cortante pura, está dada por: Ecuación 4

Se verá en estas ecuaciones que las ondas de compresión siempre viajan más rápido que las ondas de corte en el mismo medio.

La relación vp / vs en cualquier material se determina únicamente por el valor de los coeficientes de Poisson (σ) para ese material. Ecuación 5

y dado que el coeficiente de Poisson para rocas consolidadas es generalmente de aproximadamente 0.25, vp = 1.7vs.

Mientras que el conocimiento de la velocidad de la onda P es útil, es una función de tres propiedades separadas de la roca y es solo un indicador muy ambiguo de la litología de la roca.

Sin embargo, la relación vp / vs es independiente de la densidad y se puede utilizar para derivar el coeficiente de Poisson, que es un indicador litológico mucho más confiable.

Si se requiere esta información, entonces vp y vs deben determinarse en el método sísmico.

Estas relaciones fundamentales entre la velocidad de propagación de la onda y las propiedades físicas de los materiales a través delos cuales pasan las ondas son independientes de la frecuencia de las ondas.

Las ondas de cuerpo son no dispersivas; es decir, todas las componentes de frecuencia en un tren de ondas o impulsos viajan a través de cualquier material a la misma velocidad, determinada solo por los módulos elásticos y la densidad del material.

Históricamente, la mayoría de las investigaciones sísmicas solo han usado ondas de compresión, ya que esto simplifica la técnica de levantamiento de dos maneras.

En primer lugar, se pueden usar detectores sísmicos que registran solo el movimiento vertical del suelo, y estos son insensibles al movimiento horizontal de las Ondas S.

En segundo lugar, la mayor velocidad de las ondas P garantiza que siempre alcancen un detector antes que las ondas S relacionadas y, por lo tanto, sean más fáciles de reconocer.

El registro de las ondas S y, en menor medida, las ondas de superficie, proporciona mayor información sobre el subsuelo, pero a un costo de una mayor adquisición de datos (registro de tres componentes) y el consiguiente esfuerzo de procesamiento.

A medida que la tecnología avanza, las encuestas multicomponentes se están volviendo más comunes.

Una aplicación de los métodos sísmicos usando las ondas de corte es en la investigación del sitio de ingeniería donde la medición separada de vp y vs para capas cercanas a la superficie permite el cálculo directo del coeficiente de Poisson y la estimación de los módulos elásticos, que proporcionan información valiosa sobre las propiedades geotécnicas in situ del suelo.

Ondas de superficie

En un sólido elástico acotado, las ondas sísmicas conocidas como ondas de superficie pueden propagarse a lo largo del límite del sólido.

Las ondas Rayleigh se propagan a lo largo de una superficie libre, o a lo largo del límite entre dos medios sólidos diferentes, siendo los movimientos de partículas asociados elípticos en un plano perpendicular a la superficie y que contienen la dirección de propagación (Fig. 2 (a)).

El movimiento de la partícula orbital es en sentido opuesto al movimiento de la partícula circular asociado con una onda de agua oscilatoria, y por lo tanto, a veces se describe como retrógrado.

Otra diferencia importante entre las ondas Rayleigh y las ondas de agua oscilatorias es que las primeras implican una tensión de cizallamiento y, por lo tanto, están restringidas a medios sólidos.

La amplitud de las ondas Rayleigh disminuye exponencialmente con la distancia por debajo de la superficie.

Tienen una velocidad de propagación más baja que la de las ondas del cuerpo de corte y en un semiespacio homogéneo serían no dispersivos.

En la práctica, se observa que las ondas Rayleigh que viajan alrededor de la superficie de la Tierra son dispersivas, su forma de onda experimenta un cambio progresivo durante la propagación como resultado de las diferentes componentes de frecuencia que viajan a diferentes velocidades.

Esta dispersión es directamente atribuible a la variación de la velocidad con la profundidad en el interior de la Tierra.

El análisis del patrón observado de dispersión de las ondas sísmicas es un método poderoso para estudiar la estructura de la velocidad dela litosfera y la astenosfera (Knopoff 1983).

La misma metodología, aplicada a las ondas de superficie generadas por un martillo, pueden usarse para examinar la resistencia de los materiales cercanos a la superficie para investigaciones de ingeniería civil.

Si la superficie tiene capas y la velocidad de la onda de corte de la capa de superficie es inferior a la de la capa subyacente, segenera un segundo conjunto de ondas de superficie.

Las ondas Love son ondas de corte polarizadas con un movimiento de partículas paralelo a la superficie libre y perpendicular a la dirección de propagación de la onda (Fig. 2 (b)).

La velocidad de las ondas Love es intermedia entre la velocidad de la onda de corte de la capa superficial y la de las capas más profundas, y las ondas Love son inherentemente dispersivas.

El patrón observado de la dispersión de la onda Love se puede utilizar de manera similar a la dispersión de la onda de Rayleigh para estudiar la estructura del subsuelo.