1. XXX Curso Centroamericano y del Caribe de F´
ısica
—
´ A LA EXPLORACION
INTRODUCCION ´
S´
ISMICA
—
Manuel Rodriguez
IHCIT, UNAH
manuelr@uwalumni.com
Tegucigalpa, Honduras 20 de abril de 2012
M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012
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2. Tabla de Contenido
Ondas S´
ısmicas y Propagaci´n de Ondas
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
Coeficientes El´sticos
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
Ondas Superficiales
Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Rayos
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3. Desglose
Ondas S´
ısmicas y Propagaci´n de Ondas
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
Coeficientes El´sticos
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
Ondas Superficiales
Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Rayos
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4. Desglose
Ondas S´
ısmicas y Propagaci´n de Ondas
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
Coeficientes El´sticos
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
Ondas Superficiales
Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Rayos
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5. Exploraci´n S´
o ısmica
Sismolog´ Global
ıa Reflexi´n y Refracci´n S´
o o ısmica
Fuente terremotos Fuente controlada
Ondas atraviesan la tierra Ondas viajan en la corteza y
Imagen 3D del interior de la manto superior
Tierra Estructura de la corteza
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6. Desglose
Ondas S´
ısmicas y Propagaci´n de Ondas
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
Coeficientes El´sticos
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
Ondas Superficiales
Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Rayos
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7. Ondas
Punto fuente
Ondas de cuerpo
Ondas superficiales
Frentes de onda
Rayos
Perturbaci´n
o
Piedra en un estanque,
terremotos. Medio el´stico, homog´neo
a e
Perturbaci´n en el medio se
o e isotr´pico.
o
propaga a trav´s de ´l.
e e
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8. Ondas-Terminolog´
ıa
Velocidad
Longitud de onda
Amplitud
Frecuencia
Per´
ıodo
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9. Desglose
Ondas S´
ısmicas y Propagaci´n de Ondas
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
Coeficientes El´sticos
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
Ondas Superficiales
Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Rayos
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10. Coeficientes El´sticos
a
Esfuerzo-stress (fuerza/´rea)
a
Deformaci´n-strain
o
Medio el´stico, Ley de Hooke
a
Coeficientes:
M´dulo de Young (E)
o
Raz´n de Poisson (µ)
o
M´dulo de compresibilidad (K)
o
M´dulo de corte o rigidez (G)
o
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11. Desglose
Ondas S´
ısmicas y Propagaci´n de Ondas
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
Coeficientes El´sticos
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
Ondas Superficiales
Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Rayos
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12. Ondas S´
ısmicas - Ondas de Cuerpo
De las ecuaciones del movimiento en un medio el´stico,
a
homog´neo e isotr´pico se puede demostrar que existen 2 tipos de
e o
ondas que se transmiten en el medio (ondas de cuerpo):
Ondas - P
Ondas - S
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13. Ondas - P
Onda primarias
Ondas longitudinales
Compresiones y rarefacciones, sin rotaci´n
o
Causa cambios en el volumen en el medio a medida que se
propaga la onda.
Similar al sonido viajando en el aire
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14. Ondas - S
Ondas secundarias o de corte (shear)
Ondas transversales
No hay cambio de volumen
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15. Ondas P y S
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16. Desglose
Ondas S´
ısmicas y Propagaci´n de Ondas
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
Coeficientes El´sticos
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
Ondas Superficiales
Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Rayos
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17. Ondas Superficiales
Ondas Rayleigh y Love
Amplitud disminuye con la profundad
Amplitud mayores y mas lentas que las ondas de cuerpo
Per´
ıodos mas largos
Se pueden considerar como ruidos para nuestros fines.
Las ondas P son las m´s importantes en exploraci´n s´
a o ısmica,
al ser las m´s r´pidas es f´cil observarlas, explosiones solo
a a a
producen ondas P.
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19. Sismogramas
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20. Sismogramas
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21. Desglose
Ondas S´
ısmicas y Propagaci´n de Ondas
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
Coeficientes El´sticos
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
Ondas Superficiales
Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Rayos
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22. Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Vp
Vs
Vp/Vs
El m´dulo de compresibilidad K > 0 , Vp > Vs
o
M´dulo de corte G = 0 para los l´
o ıquidos, Vs = 0
Fracturas en las rocas o alta porosidad produce disminuci´n
o
en la Vp.
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23. ´
Algunas Aproximaciones Utiles
Vs = 0,6Vp Rocas cristalinas
Vs = 0,5Vp Rocas sedimentarias
Vs = 0,4Vp Suelos y materiales poco consolidados
VR = 0,9Vs
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24. Desglose
Ondas S´
ısmicas y Propagaci´n de Ondas
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
Coeficientes El´sticos
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
Ondas Superficiales
Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Rayos
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25. Rayos
Rayos son l´
ıneas
perpendiculares a los frentes
de onda.
Principio de Huygen: cada
punto en el frente de ondas
es un nuevo punto fuente.
Principio de Fermat:
Distancia mas corta en
tiempo mas corto
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26. Reflexi´n y Refracci´n
o o
La onda cruza la frontera entre 2 medios diferentes.
Parte de la energ´ rebota y parte cruza el medio.
ıa
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28. Reflexi´n
o
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29. Refracci´n
o
Refracci´n
o
Ley de Snell
Refracci´n critica
o
Reflexi´n interna total
o
Ondas frontales
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30. Difracci´n
o
Cambio brusco en la
curvatura de la interfaz
produce frentes de onda
esf´ricos, falla la teor´ de
e ıa
rayos
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31. Ondas en la Superficie
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32. Ondas en la Superficie
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33. Atenuaci´n de la Amplitud de Onda
o
Propagaci´n geom´trica
o e
Energ´ decae 1/r , amplitud de la onda 1/r 2
ıa
Absorci´n
o
La onda viajando distorsiona el medio transformando energ´
ıa
en calor interno.
Frecuencias m´s altas decaen m´s r´pido.
a a a
Partici´n de la energ´
o ıa
Cuando una onda choca con una interfaz parte de la energ´
ıa
se refleja y parte es refractada.
Adem´s ocurren generaci´n de nuevas ondas.
a o
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34. Fuentes de Energ´
ıa
Factores a considerar:
Costos
Energ´ de entrada
ıa
Repetitividad conveniencia
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35. Martillos
Costos bajos
Seguro, con entrenamiento
15-50m
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37. Lanzamiento de Pesos
Barato
Profundidades 50m
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38. Explosivos
Seguridad y
costos pueden
ser problema.
Diferentes
tama˜os Seg´n
n u
profundidad.
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39. Fuentes Vibradoras
Serie de pulsos en lugar de uno solo.
100s m a kms
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40. Ge´fonos
o
Bobina suspendida en un campo
magn´tico, al moverse produce corrientes
e
el´ctricas.
e
Respuesta en frecuencia importante para
aprovechar la m´xima amplitud de salida
a
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42. Arreglos de Ge´fonos
o
Separaciones peque˜as
n
Alta resoluci´n del
o
subsuelo
An´lisis de reflexi´n
a o
Separaciones grandes
Mayores profundidades
Mejora la sensibilidad a la
velocidad
An´lisis de refracci´n
a o
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43. Diagrama Esquem´tico de Equipo para Exploraci´n S´
a o ısmica
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45. Osciloscopio
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46. M´todo de Refracci´n
e o
Dromocronas: gr´ficas de tiempo en funci´n de la distancia
a o
(tiempo de viaje)
Ecuaciones de tiempo de viaje
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48. V1 V2 V3
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49. Gr´fica de tiempo de viaje a partir de sismogramas
a
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50. La Superficie No Ideal
Zonas escondidas
Variaciones laterales
Discontinuidad en interfaces
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51. Zona Escondida: capa de baja velocidad
Velocidad aumenta con la profundidad en general
V 1 < V 2 < V 3. . .
En un modelo de 3 capas si V 1 > V 2 < V 3 rayos no se
refractaran en la primera interfaz.
M´todo de refracci´n no detecta la capa 2, desventajas de
e o
este m´todo.
e
Informaci´n adicional previa es necesaria.
o
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52. Con la info de las curvas:
V 1 y V 3 OK.
h1 = 25,5m >> h1 real
Si de info geol´gica se esta
o
seguro de la existencia de la
capa 2 se puede calcular
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53. Si de info geol´gica se est´ seguro de la existencia de la capa 2 se
o a
puede calcular h2 usando:
1
2 2
2h1 (V3 −V1 ) 2 V3 V2
h2 = ti2 − V3 V1 2 2
1
2(V3 −V2 ) 2
Calcular ti y estimar h2
Es necesario conocer h1 previamente, de info adicional
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54. Capa Delgada
Modelo de 3 capas, capa intermedia muy delgada, rayos
refractados en capa 3 llegan antes que los de la capa 2 se
identifican solo 2 capas, 1 y 3.
La profundidad a la capa 3 menor que la real.
Se necesita info adicional de la existencia de esta capa.
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55. Capa Delgada
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56. Variaciones Laterales de Velocidad
Variaciones en velocidad son comunes, si bajas se pueden
despreciar, si son grandes como en contacto de unidades geol´gicas
o
habr´n efectos inusuales en gr´ficas tiempo de viaje.
a a
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58. Discontinuidad en las Interfaces: difracci´n
o
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59. Capas Inclinadas
Las capas en el subsuelo pueden ser no completamente
horizontales.
Debido a la trayectoria de los rayos refractados en la interfaz
inclinada las velocidades calculadas son diferentes a las reales.
En curva de tiempo de viaje no se puede detectar esto, es
necesario realizar experimento intercambiando de posici´n la
o
fuente y los ge´fonos, para tener un perfil “directo” y otro
o
“reverso”
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60. Sondeo Directo y Reverso
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61. Sondeo Directo y Reverso
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62. Sondeo Directo y Reverso
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63. Procedimientos de Campo
Selecci´n del sitio y consideraciones de
o
planeaci´n.
o
Consideraciones de equipo:
Ge´fonos, hacer buen contacto con el suelo.
o
Evitar tr´fico pesado y viento, introducen ruido. Realizar el
a
estudio de noche si es necesario.
Fuente de ondas acorde con el objetivo del
estudio a realizar.
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64. Arreglos Geom´tricos de Ge´fonos M´s Comunes
e o a
Arreglo en l´
ınea
Arreglo en l´
ınea con separaci´n lateral
o
Arreglo en l´
ınea con fuente en el centro
Arreglo en abanico
Longitud del sondeo al menos 3 veces la
profundidad del objetivo del sondeo
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65. Arreglos Geom´tricos de Ge´fonos M´s Comunes
e o a
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66. Aplicaciones Usando el M´todo de Refracci´n S´
e o ısmica
Whately, Massachusetts. 1300 habitantes depende de la
agricultura, mayor parte del agua proviene de pozos
superficiales, acu´
ıfero no confinado.
1984 contaminaci´n por pesticidas se descubri´ en varios
o o
pozos. Era necesario buscar otra fuente de agua, contrato una
firma consultora geof´ısica.
Registros de la geolog´ local buenos. Registro de pozos
ıa
demuestran la presencia de una capa de grava y arena en
medio de arcillas glaciales encima y roca debajo (arcosa,
arenisca de cuarzo y feldespato).
La capa de arcilla forma una barrera impermeable entre las
arenas superficiales que forman el acu´ ıfero no confinado y la
capa de grava y arena lo que evita el paso de la contaminaci´n
o
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67. Refracci´n s´
o ısmica y resistividad
el´ctrica complementado con
e
perforaciones en sitios
cuidadosamente seleccionados.
Ning´n m´todo pudo diferenciar
u e
entre las arcillas y las arenas y
gravas, pero si determinar la
profundidad a la roca. Se
delimito un valle aluvial
enterrado lleno con la secuencia
de gravas con una extensi´n o
suficiente para constituir una
fuente de agua que en la
actualidad esta siendo explotada.
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