Método de Prospección Sísmica en la Investigación del Subsuelo

Introducción

La investigación de tesis está relacionada con la implementación del equipo de adquisición de datos para ensayos geofísicos, dicho equipo esta compuesto por 12 geófonos, un amplificador, una unidad de almacenamiento de datos, un cable conector de geófonos y un cable de disparo.
El equipo donado presentó dificultades técnicas, siendo frecuentemente reparado uno y otro componente, hasta que finalmente falló por completo la unidad de almacenamiento, la misma que fue llevada al Japón en el año 1996 para darle mantenimiento y reparación, sin conseguirlo, pues técnicamente era obsoleta y era imposible conseguir partes requeridas para su reparación y funcionamiento.
En el año 1997 se compro un cable conector de geófonos de la marca SMARTSEI de la ultima generación. Adicionalmente se evaluó la alternativa de comprar un nuevo equipo de refracción, opción que fue desestimada por su alto costo. Ante tal situación el CISMID, como centro de investigaciones, dio lugar a la creatividad con el ensamblado de la unidad de almacenamiento de datos, sobre la base de la tecnología disponible en el mercado local. Esta alternativa, que es parte del desarrollo del presente estudio, en términos económicos ha representado un ahorro alrededor del 50% en costos respecto de un nuevo equipo.
El desarrollo del presente trabajo tiene como objetivo general y contribuir con el proceso de obtención y análisis de información de los ensayos de Refracción Sísmica y el ensayo Down-Hole,e y Up-hole en el Laboratorio Geotécnico del CISMID. Además, se ha considerado objetivos específicos, a los siguientes:

a. Determinar el alcance de las aplicaciones de los ensayos en Refracción Sísmica, Down-Hole y Up-hole.
b. Establecer los procedimientos de operación de los ensayos de Refracción Sísmica y el Down_hole
c. Identificar alternativas viables técnicas y económicas respecto de la optimización de los recursos para la adquisición de datos y el procesamiento de la información para brindar un eficiente servicio a la comunidad.
El contar con equipos especializados para la toma de información geotécnica, sobre la base de ensayos de prospección sísmica en la investigación del subsuelo, permite establecer un servicio continuo a la comunidad en las aplicaciones de esta metodología que involucra la cimentación de obras civiles en general, de tal forma que la información suministrada contribuya hacia una oportuna y eficiente toma de decisiones.
El criterio de costo beneficio ha permitido que el CISMID implemente con tecnología disponible en el mercado nacional, la puesta en marcha del servicio de ensayos como el de refracción sísmica y Down-Hole, puesto que ante la alternativa de la compra de equipos nuevos para lograr el mismo fin, la investigación ha hecho posible la operación de equipos inoperativos, se ha impuesto el alto grado técnico y la investigación de los participantes.

Esta experiencia, ha generado expectativas de desarrollo y puesta en marcha de programas afines con el objetivo de que los equipos en estado inoperativos, por razones técnicas, tengan con el uso de los recursos disponibles la posibilidad de ser recuperados y puestos al servicio de la comunidad, como fruto de la investigación y desarrollo del CISMID.

El desarrollo de este trabajo se ha distribuido en seis capítulos:
En el Capitulo I se describe los principios que rigen las ondas elásticas, su relación con los movimientos sísmicos y la afinidad de la corteza terrestre para transmitirlos
En el Capitulo II se describen los métodos de prospección sísmica: método de refracción sísmica, método Up-hole y el método Dow-nhole, los principios fundamentales que rigen estos métodos, principios generales de comprobación e interpretación, aspectos de trabajo en campo, confiabilidad de resultados y limitaciones de estos ensayos.
En el Capitulo III se describe la implementación del sistema de adquisición de datos, que consiste en el ensamblaje del equipo así como hacerlo compatible con los elementos existentes (geófonos, cables, borneras, amplificador, fuente de energía, sistema convertidor analógico digital y la unidad de adquisición y procesamiento de datos).
En el Capitulo IV se describe el proceso de interpretación y procesamiento de datos en el gabinete, que consiste en la descripción de dos Software el primero de ellos el Sistema de Adquisición y Procesamiento de Datos Geofísicos (SAPDG) diseñado en el laboratorio geotécnico del CISMID para este trabajo para los ensayos de refracción sísmica y el ensayo Down-hole, se describe también un manual de uso de este programa y el segundo el programa de Procesamiento e Interpretación de Ensayos de Refracción Sísmica SIPx de RimRock.
En el Capitulo V se describe la aplicación del sistema de adquisición de datos en estudios realizados en los ensayos de refracción sísmica y ensayo down-hole.
En el Capitulo VI se presentan las conclusiones y recomendaciones obtenidas a partir del desarrollo de este trabajo.

http://cid-421a9dce0a1978a0.skydrive.live.com/browse.aspx/tesis-CISMID?uc=2&isFromRichUpload=1

- Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW)

La técnica de Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW) (Park et al., 1999), es un método no destructivo que analiza las propiedades de dispersión de los tipos de ondas sísmicas superficiales (modos fundamentales de ondas Rayleigh), las cuales se propagan horizontalmente a lo largo de la superficie desde el punto de impacto a los receptores. La técnica MASW proporciona velocidades de ondas de corte (Vs) (o espesores) en formatos 1-D, 2-D y 3-D para varios tipos de proyectos en ingeniería geotécnica.

Los registros simultáneos de 12 o más receptores en distancias cortas (1 a 2 m) y largas (50 a 100 m), desde una fuente impulsiva o vibratoria, proporcionan un adecuado almacenamiento de datos para medir la velocidad de fase de las ondas de corte.

Aplicación del método MASW. Mediante el perfil de las ondas de corte (Vs) se puede realizar:

- Evaluación del riesgo sísmico de un área
- Análisis de licuación
- Control de compactación de suelos
- Mapeo del subsuelo
- Estimación de los parámetros dinámicos de los materiales
- Espesor de pavimentos, entre otros

http://www.masw.com/index.html

- Métodos Geoeléctricos de Prospección

El método geoeléctrico de prospección es la rama de la geofísica que trata sobre el comportamiento de rocas y sedimentos en relación a la corriente eléctrica. Las propiedades físicas de un material de acuerdo con su comportamiento electromagnético son: la constante dieléctrica, la permeabilidad magnética y la resistividad.

Los métodos geoeléctricos se clasifican según el campo electromagnético que en ellos se estudia sean estos de origen natural, o creados artificialmente para la prospección. También se pueden clasificar considerando si la información recogida se refiere a la vertical de un punto (sondage) o se distribuye a lo largo de un perfil, dentro de un margen de profundidades aproximadamente constante. También se debe considerar si en un método determinado el campo electromagnético es constante (corriente continua) o varía en el transcurso del tiempo (método de campo variable).

Clasificacion de los Métodos Geoeléctricos: Según las consideraciones antes mencionadas los métodos geoeléctricos se pueden clasificar de la siguiente manera:

I. Método de Campo Artificial

A. Métodos de Campo Constante
1. Método de líneas equipotenciales
2. Sondeos eléctricos (simétricos, dipolares)
3. Calicatas eléctricas
4. ERT Tomografía de resistividad eléctrica
5. Geo Radar (Ground Penetrating Radar)


B. Métodos de Campo Variable.
1. Sondeos de Frecuencia
2. Sondeos Transitorios
3. Calicatas electromagnéticas
4. Método Radio-Kip (alta frecuencia)
5. Método de radiografía Hertziana (alta frecuencia)

C. Método de Polarización inducida


II. Métodos de Campo Natural.

1. Método de potencial espontáneo.
2. Método de corrientes Telúricas
3. Método Magneto-Telúrica
4. Método AFMAG (audio frecuencia magnética)

Los métodos geoeléctricos más empleados se basan en la inyección artificial de una corriente eléctrica (sondeos eléctricos verticales SEV y calicatas eclécticas CE), tomografía de resistividad eléctrica (ERT), Geo Radar; de menor utilidad son la polarización inducida (PI) y el potencial espontáneo (PE), este último basado en la medición de campos eléctricos naturales.

Aplicación de los Métodos Geoeléctricos: Los métodos geoeléctricos de prospección pueden aplicarse de la siguiente manera:

- Determinando la presencia de zonas saturadas
- Ayudando a conocer la geometría del acuífero
- Caracterizando la litología de los materiales del subsuelo
- Localizando estructuras, detección de cavernas y karst
- Estimando cualitativamente la calidad del agua subterránea
- Estimando indirectamente ciertos parámetros hidráulicos como la permeabilidad
- Estimando parámetros físicos y químicos del suelo para el diseño de obras civiles en general
- Zonificación de Contaminantes
- En estudios arqueológicos
- En estudios geotérmicos

- Métodos de Exploración Sísmica

Consisten en generar ondas sísmicas y medir el tiempo requerido para que estas viajen desde la fuente hasta un arreglo de sensores (geófonos), una vez reflejadas o refractadas en las distintas formaciones geológicas.

El arreglo de sensores es distribuido usualmente a lo largo de una línea recta orientada hacia la fuente. Las fuentes de energía artificial (martillo, explosivos, pistola de aire comprimido y otros) están controladas y son móviles, y las distancias entre la fuente y los puntos de registro son relativamente pequeñas.

Se puede obtener imágenes aproximadas de la estructura del terreno, basadas en las discontinuidades sísmicas, estas coinciden en la mayoría de los casos con las discontinuidades estratigráficas, es decir se obtiene una interpretación del terreno basada en las propiedades elásticas de los materiales. Estas propiedades están relacionadas con la velocidad de propagación de las ondas elásticas, sobre el medio en que se propagan, el cual dependen de varios factores importantes como son: la composición, compactación, geometría, fracturamiento, porosidad, saturación de líquido o gas, temperatura, la fase y presión a la que se encuentran sometidas.
Existen métodos de exploración sísmica los cuales pueden ser realizados sobre la superficie y bajo la superficie, los más comúnmente utilizados son:

1. Sobre la superficie:

• Refracción sísmica
• Reflexión Sísmica
• MASW
• MAM

2. Bajo la superficie

• Cross Hole
• Up Hole
• Dow Hole

- Prospección Geofísica

La investigación geofísica es un método para deducir las condiciones del subsuelo a través de la observación de fenómenos físicos, bien sea naturales o artificiales, directa o indirectamente relacionados con la estructura geológica del subsuelo (p. ej. Imai, 1975). Originalmente fue desarrollada como un método efectivo para la prospección del petróleo y otros depósitos de minerales.

La prospección geofísica consiste en la aplicación de las ciencias físicas al estudio de la parte más superficial de la corteza terrestre, que puede ser explotada por el hombre. Este estudio puede tener como objetivo la búsqueda de toda clase de recursos minerales útiles al hombre, así como la resolución de problemas puramente geológicos o geotécnicos.

El mapeo de una anomalía geofísica puede significar el descubrimiento de una formación geológica apta para la explotación industrial. Además, la información detallada proporcionada a través de una prospección permite caracterizar cuantitativamente el terreno prospectado de acuerdo con ciertos parámetros físicos, lo que es un valioso apoyo para tomar decisiones correctas relacionadas con el uso del suelo.

Existe una gran variedad de técnicas en el empleo de la geofísica en la ingeniería civil, y el uso de una o varias técnicas dependerán de la aplicación a cada caso específico. Así, las diversas técnicas aplicables pueden ser las siguientes:

- Métodos Geoeléctricos
- Métodos Electromagnéticos
- Métodos Gravimétricos
- Métodos Radiométricos
- Métodos Sísmicos

- Daños en las Zonas Rurales del Sur del Perú - Sismo Arequipa 2001

El 23 de Junio del 2001 ocurrió en el sur del Perú, departamento de Arequipa, uno de los sismos de mayor intensidad de los últimos años en la región. Según el Instituto Geofísico del Perú, el epicentro fue localizado a 82 km de la localidad de Ocoña, y tuvo una intensidad de 6.9 de la escala de Richter. Este terremoto afecto principalmente a los departamentos de Arequipa, Ayacucho, Moquegua y Tacna en donde se produjeron muertes y destrucción.
Un equipo de investigadores del CISMID salió a verificar y realizar un levantamiento de los daños ocurridos en las Zonas Rurales del Sur del Perú. Daños ocasionados por el movimiento sísmico y por el maremoto en el litoral de Camana.

http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/redacis/redacis41_p.pdf

- Implementación del Equipo de Adquisición de Datos de Prospección Sísmica

El reporte de investigación presenta los resultados de la implementación del equipo de adquisición de datos sísmicos con su respectivo software, y la adecuación de estos datos a programas de cómputo que permitio analizar la información registrada.
El equipo de adquisición de datos consto de un juego de geófonos, cable de conexión de geófonos, unidad de amplificación, sistema de disparo (trigger) y la unidad de adquisición de datos propiamente dicha, que era una computadora portátil con su respectiva tarjeta DAQ.
Este equipo fue reflotado y puesto a punto en el Laboratorio Geotécnico del CISMID, habiéndose comprobado su funcionamiento.
La implementación del software de adquisición de datos fue realizado utilizando la herramienta de cómputo LABVIEW, para convertir la información análoga adquirida, a un formato digital compatible con las necesidades de análisis, así como para presentar adecuadamente los registros sísmicos. De esta manera la información puede ser procesada e interpretada empleando un software comercial. Esta etapa ha sido desarrollada con la asesoría de un experto en sistemas de adquisición de datos.
En el futuro se espera desarrollar programas de cómputo para el análisis e interpretación de los registros sísmicos provenientes del ensayo de refracción sísmica, principalmente. Para ello se incorporarán los métodos de análisis existentes a un programa de cómputo que agilice la interpretación de las características dinámicas de los materiales del subsuelo.

http://cid-421a9dce0a1978a0.skydrive.live.com/browse.aspx/tesis-CISMID?uc=2&isFromRichUpload=1

- Análisis Numérico en Elevación de Presas de Tierra

Uma das atividades relacionadas à recuperação de barragens envolve o alteamento de barragens existentes, normalmente com o objetivo de aumentar a capacidade de armazenamento dos reservatórios, melhorar o fator de segurança dos taludes ou a proteção da estrutura contra possíveis cheias. O alteamento pode estar previsto no projeto original da barragem, mas na maioria dos casos trata-se de um novo estudo, com a barragem em operação, devendo-se verificar as novas condições de fluxo, efeitos na estabilidade de taludes e na resposta da barragem a carregamentos estáticos e sísmicos, estes principalmente em regiões de alta sismicidade, como no sul do Peru, onde se enontram a barragem de terra de Viña Blanca, aqui considerada. Nesta dissertação o método dos elementos finitos e o método de equilíbrio limite, isolada ou conjuntamente, são empregados para análise estática e dinâmica destas barragens de terra considerando diversas opções de alteamento, como a construção de muros parapeito, muros de gabião, solo compactado, solo reforçado com geotêxteis e solo reforçado com revestimento de concreto. De estudos de perigo sísmico efetuados no local das barragens, selecionou-se o valor de aceleração horizontal máximo para ser utilizado nos registros de aceleração ocorridos nos terremotos de Lima (1974) e de Moquegua (2001). As análises numéricas efetuadas mostram que as opções de alteamento consideradas não alteram significativamente as condições de segurança das barragens existentes, tanto do ponto de vista hidráulico como da estabilidade de taludes e resposta dinâmica durante a incidência de terremotos.

http://www.maxwell.lambda.ele.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=8624@1

- Ingeniería Geotécnica

Los ingenieros especialistas en geotecnia investigan el suelo y las rocas por debajo de la superficie para determinar sus propiedades y diseñar las cimentaciones para las diferentes estructuras que requiere el hombre dentro de su vida diaria. Para esto, los profesionales requieren poseer conceptos bien fundamentados sobre el comportamiento del suelo o roca, los cuales se pueden obtener mediante la aplicación de sistemas de exploración y evaluación desarrollados para los fines requeridos.

El resultado de estos instrumentos, sumado al criterio y la experiencia profesional, provee al ingeniero las herramientas que deben ser adoptadas para establecer con seguridad que el comportamiento del material de cimentación sea acorde con los requerimientos de la estructura proyectada. La combinación de estos conocimientos con la aplicación de modernas técnicas de exploración y evaluación geológica y geotécnica, constituyen el fundamento de los estudios de Mecánica de Suelos y Geotecnia aplicados a los diferentes proyectos.

La ingeniería Geotécnica integra en la ejecución de los proyectos a profesionales especializados en los siguientes campos: Geotécnica de Cimentaciones y Vial, Geotécnica ambiental, Geotécnia Marina y Geotécnica sismológica (dinámica de suelos).