Refracción sísmica
El método geofísico de refracción sísmica utiliza energía sísmica que regresa a la superficie después de viajar a través del suelo a lo largo de trayectorias de rayos refractados.
La primera llegada de energía sísmica a un detector desplazado desde una fuente sísmica siempre representa un rayo directo o un rayo refractado.
Este hecho permite realizar estudios de refracción simples en los que la atención se concentra únicamente en la primera llegada (o inicio) de la energía sísmica, y se interpretan los gráficos de tiempo-distancia de estos primeros arribos para obtener información sobre la profundidad a Interfaces refractantes.
Este enfoque simple no siempre brinda una imagen completa o precisa del subsuelo.
En tales circunstancias, se pueden aplicar interpretaciones más complejas.
La sísmica de refracción se usa normalmente para localizar interfaces refractantes (refractores) que separan capas de diferente velocidad sísmica, pero el método también es aplicable en los casos en que la velocidad varía suavemente en función de la profundidad o lateralmente.
Los sismogramas de refracción sísmica también pueden contener eventos de reflexión como llegadas posteriores, aunque en general no se hace ningún intento especial para mejorar las llegadas reflejadas en los estudios de refracción.
Sin embargo, los coeficientes de reflexión relativamente altos asociados con los rayos que inciden en una interfaz en ángulos cercanos al ángulo crítico a menudo conducen a fuertes reflexiones de gran angular que se detectan con bastante frecuencia en los rangos de registro más grandes que caracterizan los estudios de refracción sísmica a gran escala.
Estas reflexiones de gran angular a menudo proporcionan información adicional valiosa sobre la estructura del subsuelo como, por ejemplo, la presencia de una capa de baja velocidad que no se revelaría solo con llegadas refractadas.
La gran mayoría de los estudios de refracción sísmica se llevan a cabo a lo largo de líneas de perfil que están dispuestas para ser lo suficientemente largas para garantizar que las llegadas refractadas desde las capas de destino se registren como primeras llegadas para al menos la mitad de la longitud de la línea.
Los perfiles de refracción generalmente tienen que ser entre cinco y diez veces más largos que la profundidad de investigación requerida.
Una consecuencia de este requisito es que se necesitan grandes fuentes sísmicas para la detección de refractores profundos a fin de que se transmita suficiente energía en el largo alcance necesario para el registro de las fases refractadas profundas como primeros arribos.
La longitud del perfil requerido en cualquier estudio particular depende en la distribución de velocidades con profundidad en ese lugar.
El requisito en el estudio de la sísmica de refracción para un aumento en la longitud del perfil con el aumento de la profundidad de investigación contrasta con la situación en el estudio de reflexión convencional, donde se registran las reflexiones de incidencia casi normales desde las interfaces profundas en pequeñas distancias desplazadas.
La sísmica de refracción se aplica a una amplia gama de problemas científicos y técnicos, desde estudios de investigación de sitios de ingeniería hasta experimentos a gran escala diseñados para estudiar la estructura de toda la corteza o litosfera.
Las mediciones de refracción pueden proporcionar información valiosa sobre la velocidad para su uso en la interpretación de los levantamientos de reflexión, y las llegadas refractadas registradas durante los levantamientos de reflexión de la tierra se utilizan para mapear la capa meteorizada.
Esta amplia variedad de aplicaciones conduce a una variedad igualmente amplia de Métodos de estudio de campo y técnicas de interpretación asociadas.
En muchas situaciones geológicas, los refractores del subsuelo pueden aproximarse a superficies planas sobre la extensión lineal de una línea de refracción.
En tales casos, se asume comúnmente que las gráficas de tiempo de viaje observadas se derivan de un conjunto de capas planas y se analizan para determinar las profundidades y las inmersiones de los refractores planos individuales.
La geometría de los trayectos de rayos refractados a través de los modelos de capa plana del subsuelo se considera primero, después de lo cual se consideran los métodos para tratar la refracción en interfaces irregulares (no planas).
Aplicaciones de la sísmica de refracción
La exploración mediante métodos de refracción sísmica cubre una amplia gama de aplicaciones.
Los estudios de refracción pueden proporcionar estimaciones de las constantes elásticas de los tipos de roca locales, que tienen importantes aplicaciones en la ingeniería civil: el uso de fuentes y geófonos especiales permite el registro por separado de las llegadas de ondas de corte, y la combinación de información de velocidad de las ondas P y S permite el cálculo del coeficiente de Poisson.
Si se dispone de una estimación de la densidad, el módulo de volumen y el módulo de corte también pueden calcularse a partir de las velocidades de las ondas P y S.
Estas estimaciones de las constantes elásticas, basadas en la propagación de las ondas sísmicas, se denominan dinámicas, en contraste con las estimaciones estáticas derivadas de los ensayos de carga de muestras de roca en el laboratorio.
Las estimaciones dinámicas tienden a producir valores ligeramente más altos que los ensayos de carga.
Ingeniería y estudios ambientales.
En la escala local, los estudios de refracción sísmica se utilizan ampliamente en estudios de cimentación en sitios de construcción para obtener estimaciones de profundidad de la roca debajo de una cubierta de material superficial.
Los métodos de refracción permiten mapear en detalle las geometrías irregulares del tope de las rocas y, por lo tanto, reduce la necesidad del uso de perforación y de sus altos costos asociados.
La figura 1 muestra un perfil típico a través de sedimentos fluviales.
Aquí, el esquema de observación especificó un espaciamiento de geófonos de 2 m, y un espaciado de disparo de 30 m.
Los datos se registraron con un sismógrafo de 48 canales, y los puntos de disparo se dispararon cuando los 48 geófonos avanzaron por el perfil.
La fuente fue un martillo.
La velocidad sísmica de la onda P está relacionada con las constantes elásticas y la densidad del material.
Es posible derivar una relación empírica entre la velocidad sísmica y la «dureza» de la roca.
En el uso de la ingeniería, un parámetro importante de la litología de roca es su resistencia a la excavación.
Si la roca se puede eliminar mediante excavación mecánica, y se denomina «rompible», en lugar de requerir la fractura con explosivos.
Se han derivado tablas empíricas que relacionan la «capacidad de desplazamiento» de las unidades de roca por parte de un equipo particular de movimiento de tierras con la velocidad sísmica de la onda P.
La figura 2 muestra un ejemplo típico de una tabla de este tipo.
El rango de velocidades consideradas como rippable varía para diferentes litologías basadas en promedios empíricos de factores relevantes como su grado típico de cementación y la frecuencia de unión.
Los levantamientos de refracción de onda P invertidos simples son suficientes para proporcionar información crítica a las operaciones de construcción y canteras.
Para los estudios de geología cercana a la superficie, la recopilación e interpretación de datos debe ser eficiente y rápida, para que la investigación sea rentable frente a la alternativa de la excavación directa.
La interpretación de los datos del perfil de refracción sísmica se realiza de manera más conveniente utilizando paquetes de software comerciales en computadoras personales.
Existe una amplia gama de buenos programas para la elaboración, selección automática de eventos e interpretación de dichos datos.
En general, los métodos sísmicos y de resistividad se pueden usar juntos para tratar de «caracterizar» la naturaleza de los materiales del relleno sanitario.
Existe una creciente demanda de este tipo de investigación en muchas partes del mundo.
Investigaciones hidrológicas
La gran diferencia de velocidad entre los sedimentos secos y húmedos hace que el nivel freático sea un refractor muy efectivo.
Por lo tanto, los estudios de refracción encuentran una amplia aplicación en programas de exploración para suministros de agua subterránea en secuencias sedimentarias, a menudo empleadas junto con métodos de resistividad eléctrica.
Sin embargo, puede haber una ambigüedad en la interpretación de los datos de refracción de onda P, ya que una capa en profundidad con una velocidad superior a 1500 ms-1 podría ser el nivel freático o una capa de roca más consolidada.
El registro de los datos de las ondas P y S supera este problema, ya que el nivel freático afectará la velocidad de la onda P, pero no la de las ondas S (Fig. 3).
Sismología de refracción de la corteza
El método de sísmica de refracción produce modelos generalizados de estructura subsuperficial con buena información de velocidad, pero no puede proporcionar la cantidad de detalle estructural o la imagen directa de estructuras específicas que son el sello distintivo de la sismología de reflexión.
La necesidad ocasional de una mejor información de la velocidad que se puede derivar del análisis de la velocidad de los datos de reflexión solo, junto con la relativa facilidad de los estudios de refracción en alta mar, otorga al método de refracción un papel secundario importante a los estudios de reflexión en la exploración de hidrocarburos en algunas zonas offshore.
Los estudios de refracción sísmica se han utilizado ampliamente para la investigación regional de la constitución interna y el grosor de la corteza terrestre.
La información derivada de dichos estudios es complementaria de la imagen sísmica directa de la estructura de la corteza derivada de los estudios de reflexión sísmica a gran escala.
La interpretación de la refracción a gran escala normalmente se lleva a cabo mediante el modelado directo de los tiempos de viaje y las amplitudes de las fases refractadas y / o reflejadas registradas mediante técnicas de trazado de rayos.
Se han realizado estudios a gran escala, utilizando explosivos como fuentes sísmicas, para estudiar la estructura de la corteza en la mayoría de las áreas continentales.
Un ejemplo es el experimento que se llevó a cabo en Gran Bretaña en 1974 y produjo la sección de la corteza del norte de Gran Bretaña reproducida en la Fig. 4.
Dichos experimentos muestran que la corteza continental suele tener un grosor de 30 a 40 km y que a menudo tiene capas internas.
Se caracteriza por importantes variaciones regionales en el grosor y la constitución que a menudo están directamente relacionadas con los cambios de la geología de la superficie.
Por lo tanto, diferentes provincias orogénicas a menudo se caracterizan por secciones de corteza muy diferentes.
Las velocidades de la corteza superior generalmente están en el rango de 5.8–6.3kmsˆ-1 que, por analogía con las mediciones de velocidad de las muestras de roca en el laboratorio, puede interpretarse como que representa principalmente material granítico o granodiorítico.
Las velocidades de la corteza inferior están normalmente en el rango de 6.5–7.0kmsˆ-1 y pueden representar cualquiera de una variedad de tipos de rocas ígneas y metamórficas, incluidas el gabro, la anorthosita gabroica y la granulita básica.
Este último tipo de roca se considera como el constituyente principal más probable de la corteza inferior sobre la base de estudios experimentales de velocidades sísmicas.
Soy ingeniero geólogo con experiencia y conocimiento en el área de exploración minera, hidrocarburos, evaluación de depósitos minerales metálicos y no metálicos, exploración de piedras preciosas y de metales preciosos, procesamiento de datos geológicos en software especializado y métodos de explotación de recursos naturales.
Además, tengo conocimiento en geología aplicada a la ingeniería geológica, donde se incluye el estudio de suelos, rocas y agua para la construcción de obras de ingeniería civil.
excelente aporte, saludos desde Guatemala.
Saludos desde Quito Ecuador