La refracción sísmica implica medir el tiempo de viaje del componente de energía sísmica que viaja hacia la parte superior de la roca en el cual se puede tener un cambio de impedancia; la onda se refracta en la parte superior de la roca y vuelve a la superficie como una head waves a lo largo de un frente de onda similar. Las ondas que vuelven de la parte superior de la roca son ondas refractadas, y para los geófonos a una distancia del punto de disparo, siempre representan la primera llegada de energía sísmica, es decir la onda refractada es la onda que se puede visualizar con las primera llegadas.
La refracción sísmica generalmente solo es aplicable cuando las velocidades sísmicas de las capas aumentan con la profundidad; por lo tanto, cuando capas de mayor velocidad recubren a capas de menor velocidad, la refracción sísmica puede producir resultados incorrectos. Además, dado que la refracción sísmica requiere arreglos de geófonos con longitudes de aproximadamente 4 a 5 veces la profundidad del contraste de densidad de interés, la refracción sísmica suele estar limitada al mapeo de capas solo donde ocurren a profundidades de menos de 100 pies. Se pueden obtener profundidades mayores, pero las longitudes requeridas de la matriz pueden exceder las dimensiones del sitio, y la energía de disparo requerida para transmitir las primeras llegadas sísmicas para una distancia determinada puede requerir el uso de cargas explosivas muy grandes. La resolución lateral de los datos de refracción sísmica se degrada al aumentar la longitud del conjunto, ya que la trayectoria que recorre una primera llegada sísmica puede migrar lateralmente fuera del trazado del perfil sísmico deseado.
Hay dos enfoques básicos para el análisis de datos de refracción sísmica modelos de capas (torta de capas) e inversión tomográfica. El primero es el enfoque más tradicional, aunque la tomografía se ha vuelto más popular por su resolución.as velocidades sísmicas en la superficie se dividen en capas discretas de alto contraste. Tampoco es el caso de que las velocidades sean constantes horizontalmente. Las técnicas convencionales de inversión de torta de capas, como el método del tiempo de retardo, asumen ambas y requieren que el geofísico proporcione asignaciones de capa antes de que se pueda completar la inversión de datos.
La tomografía está menos limitada debido a que se adapta mejor a las variaciones de velocidad horizontal. Si la estratificación descrita no es aparente en los datos brutos, el enfoque tomográfico es generalmente más apropiado.
[/vc_column_text][image_with_animation image_url=”52316″ alignment=”center” animation=”Fade In” box_shadow=”none” max_width=”100%”][vc_column_text]Equipo
Hay una gran variedad de sismógrafos disponibles de diferentes fabricantes, que van desde lo simple y barato unidades de un solo canal a muy sofisticadas, costosas unidades multicanal utilizadas en la industria del petróleo. Casi todos de las unidades modernas registran los datos digitalmente y son compatibles con computadoras digitales. Los estudios sísmicos de refracción se realizan utilizando un Geometrics Smartseis SE-12 o SE24.
Estos instrumentos tienen la capacidad de grabar simultáneamente 12 o 24 canales y producir copias impresas de esos datos. El Smartseis también tiene la capacidad de almacenamiento digital de los datos obtenidos por el geófono. La capacidad de mejora de la señal permite el uso de un martillo como el fuente de energía sísmica; se adjunta un sensor de tiempo al martillo, y para ondas p se fija una placa metálica de forma segura en la superficie del suelo. Generar ondas s polarizadas horizontalmente generalmente implica colocar la placa contra el extremo de una tabla de madera o traviesa de ferrocarril orientada perpendicularmente al eje de la matriz de los geófonos y golpear con un movimiento horizontal de la almádena. Aunque los explosivos también pueden ser utilizado como una fuente de energía sísmica de onda p, un mazo no requiere de licencias o permisos, o involucrar limitaciones especiales, regulaciones y responsabilidades. Las fuentes de energía explosivas pueden ser necesarias para geófonos largos matrices. Los cables sísmicos poseen salidas que se conectan los geófonos a 10 pies, 25 pies o 20 metros de espaciamiento. Los geófonos verticales se utilizan para obtener datos de ondas p y los geófonos horizontales se utilizan para obtener los datos de las ondas S. El sistema de sismógrafo es extremadamente portátil.
[/vc_column_text][image_with_animation image_url=”52317″ alignment=”center” animation=”Fade In” box_shadow=”none” max_width=”100%”][vc_column_text]Figura. Tendido, en el cual se observan los geófonos y el cable sísmico
[/vc_column_text][image_with_animation image_url=”52318″ alignment=”center” animation=”Fade In” box_shadow=”none” max_width=”100%”][vc_column_text]Figura. sismógrafo y computadora utilizada para la adquisición sísmica de refracción.
[/vc_column_text][vc_column_text]
Aplicaciones comunes
Algunas de las aplicaciones más comunes son las siguientes:
- Estudio de la anisotropía del terreno.
- Estimar la capacidad de extracción.
- Determinar la profundidad a la cual se encuentra la roca madre.
- Determinar y mapear la profundidad y el lugar donde se encuentra el agua subterránea.
- Cálculo de módulos elásticos.
- Mapeo de espesor.
- Determinar si hay un posible deslizamiento de tierra
- Determinar la litología a la cual está asociada las velocidades obtenidas..
- Identificación y mapeo de fallas.
Aspectos importantes
La profundidad de penetración en una encuesta de refracción sísmica es aproximadamente 1/5 de la longitud de la dispersión del geófono, incluidos los disparos de compensación. Entonces, si necesitas ver 10 m de profundidad, necesitará una longitud de un tendido de 50 m; para la mayoría de los trabajos de refracción de ingeniería, la mejor fuente posible es una mandarria de de 14 o 16 libras.
Una caída acelerada de un peso puede ser una buena fuente, pero no es portátil y requiere de vehículos mover la fuente a los puntos de disparo. También se pueden pequeños explosivos, que son ideales cuando se requiere portabilidad y la profundidad de interés es mayor que la que se puede alcanzar con un martillo.
Limitaciones
- Una capa de velocidad más baja debajo de una capa de velocidad más alta no será detectado por la refracción sísmica, y dará lugar a errores en los cálculos de profundidad. Afortunadamente, esta es una ocurrencia bastante poco común en el subsuelo superficial.
- La refracción sísmica requiere que las velocidades aumentan con la profundidad.
- La fuente sísmica empleada debe coincidir con la profundidad de penetración deseada.
- Utilizando un martillo y placas metálicas, la profundidad máxima que se espera es de aproximadamente 15-20 m; sin embargo, esto puede variar significativamente dependiendo de la geología, las condiciones de la superficie, el ruido ambiental,y el ruido ocasionado por el martillo.
- La refracción es una técnica relativamente amplia: mira las diferencias de velocidad brutas, y no debe esperar poder mapear más de 3-4 capas de velocidad individuales.
- El ruido cultural puede ser un problema: es más difícil realizar un levantamiento sísmico en una zona urbana medio ambiente que en uno rural.
- La topografía a lo largo de carreteras ocupadas debe evitarse, debido a que en ocasiones, es necesario disparar por la noche para lograr una relación señal / ruido aceptable en las áreas ocupadas.
Aplicación de métodos de refracción sísmica en estudios de modelaje para aguas subterráneas en Nueva Inglaterra
Estudios de modelización de aguas subterráneas
La velocidad del sonido en cada capa más profunda debe ser mayor que en la capa superior. Cuando se cumple esta condición, la onda refractada llega a la superficie de la Tierra donde puede ser detectada por un geófono que genera una señal eléctrica y envía la señal a un sismógrafo.De una serie de geófonos colocados en el suelo, la sísmica de tiempo de llegada versus las distancias de disparo al detector, se puede trazar para dar una curva de tiempo-distancia.
En la distancia de cruce y más allá, la onda de sonido desde la fuente a los detectores. Debido a que esta onda de compresión ha viajado a través de la capa uno, a lo largo de la interfaz viajó una distancia conocida en un tiempo conocido y la velocidad de la capa de alta velocidad (capa dos), luego de vuelta a la superficie la capa uno se puede calcular fácilmente. En la curva de tiempo-distancia, a través de la capa uno, llega antes que la onda que ha estado en el medio, es igual a la pendiente inversa de la línea trazada, o capa lenta todo el tiempo todas las primeras compresiones.
[/vc_column_text][image_with_animation image_url=”52319″ alignment=”center” animation=”Fade In” box_shadow=”none” max_width=”100%”][vc_column_text]Figura de la curva de tiempo de viaje y distancia de ondas sísmicas en un medio.
Usos hidrológicos de técnica de de refracción sísmica en nueva inglaterra
El entorno hidrológico de los principales acuíferos glaciares en Nueva Inglaterra consiste en depósitos glaciales no consolidados subyacentes por lecho de roca consolidado. En el estudio se desprende que varios puntos importantes hidrológicos de límites de acuíferos glaciares no consolidados se pueden definir por grandes cambios de velocidad y que la velocidad de los sedimentos por lo general aumenta con la profundidad. En este contexto, las técnicas de refracción sísmica pueden ser una valiosa herramienta de exploración para el hidrólogo La técnica se puede usar para: (1) determinar la profundidad al nivel freático en materiales no consolidados (siempre que la sección saturada sea más gruesa que la sección no saturada); (2) determinar la profundidad y el espesor del alojamiento till (siempre que tenga un grosor y velocidad significativos contraste); (3) determinar la profundidad de la roca madre y el lecho de roca general tipo; (4) planear un programa de perforación económico; y (5) obtener datos en áreas de difícil acceso para las plataformas de perforación.
El tipo de equipo más adecuado para los estudios de recursos hídricos está ubicado en el medio del campo de estudio y es típicamente un arreglo para mejorar la señal de 12 o 24 canales registrados en el sismógrafo. Estas unidades son capaces de utilizar fuente de sonido no explosivo porque pueden agregar las señales de varios impactos sucesivos no explosivos para aumentar la amplitud de la señal refractada más que la del ruido aleatorio.
[/vc_column_text][image_with_animation image_url=”52321″ alignment=”center” animation=”Fade In” box_shadow=”none” max_width=”100%”][vc_column_text]Imagen del diagrama de la adquisición en el estudio realizado.
Durante la operación en campo, los registros y cintas del sismógrafo se obtienen en el momento en que se inicia la fuente de sonido y el tiempo del movimiento de tierra cuando las ondas llegan a cada geófono En el trabajo de refracción sísmica, solo la primera llegada de energía en el geófono (la onda de sonido compresional) es utilizado. Una vez completada la adquisición de datos en el campo, la fase de interpretación se comienza. El primer paso en la interpretación es determinar el tiempo desde la iniciación de la fuente de sonido a la primera llegada de energía, para cada geófono. Cuando hay suficiente energía en el sonido fuente, y el ruido ambiente es mínimo, las primeros llegadas son altas y este procedimiento es sencillo. Cuando en el ambiente existe ruido (como el funcionamiento de equipo pesado o carretera, tráfico y / o se utilizan fuentes de sonido mecánicas), el escogimiento de los tiempos de la primera llegada pueden ser difíciles.
El registro que se obtuvo en Maine durante un estudio de modelización del valle del río Little Androscoggin (Morrissey,1983) y muestra tiempos de primera llegada fácilmente discernibles y la velocidad aparente de dos unidades hidrológicas importantes. Los primeros seis geófonos forman una línea (A-B) que tiene una inversa pendiente de aproximadamente 1.5 km / s. Esta velocidad es característica de la velocidad del sonido en sedimentos saturados no consolidados en Nueva Inglaterra. Los geófonos 7 a 12 forman una línea (B-C) que tiene un valor de pendiente inversa de 5.2 km / s, una velocidad sísmica característica del lecho de roca cristalino. Una fina capa de labranza glacial se sabe que está presente en el área, pero no se detectó en la gráfica de tiempo-distancia ya que es una velocidad de una capa delgada e intermedia. El grosor de esta unidad varía de 0 a 3 m; donde la velocidad de es de aproximadamente 2.3 km / s.
[/vc_column_text][image_with_animation image_url=”52321″ alignment=”center” animation=”Fade In” box_shadow=”none” max_width=”100%”][vc_column_text]Imagen de la selección de primeras llegadas de tiempo en los geófonos en el registro sísmico
[/vc_column_text][image_with_animation image_url=”52322″ alignment=”center” animation=”Fade In” box_shadow=”none” max_width=”100%”][vc_column_text]Modelo del subsuelo, asociado a la respuesta de las velocidades obtenidas para el medio.
Los datos existentes, los resultados de la encuesta sísmica y el resultados del programa de perforación se combinaron para construir un mapa de contorno del lecho de roca y un mapa de la capa freática del acuífero. Estos mapas se usaron para generar datos de entrada para un modelo de flujo de agua subterránea del acuífero. El modelo de flujo de agua subterránea con diferencias finitas descrito en Trescott et al. (1976) se utilizó para simular la respuesta del acuífero de deriva estratificada s Este modelo puede simular el flujo de agua subterránea en dos dimensiones en un acuífero acuífero (no confinado) con irregular límites y composición no homogénea. Las fuentes de el agua puede incluir el almacenamiento del acuífero, la recarga de la precipitación, entrada a través de los límites del acuífero, y recargar a través de lechos de ríos. El agua se descarga a través de los pozos, la evapotranspiración, fuga a cuerpos de aguas superficiales y aguas subterráneas salida.
El área modelada debe ser subdividido en bloques por una cuadrícula rectangular. La red de la red para el modelo de acuífero de deriva estratificada de Newtown consistió de 45 filas y 102 columnas. Define 4 bloques 59q, el centro de los cuales se denominan “nodos”. La red resultante se refiere como una cuadrícula de diferencias finitas centrada en bloques con cuadrícula variable espaciado.
[/vc_column_text][image_with_animation image_url=”52323″ alignment=”center” animation=”Fade In” box_shadow=”none” max_width=”100%”][vc_column_text]Mapa de contorno de la superficie de roca, Pootatuck
River Valley, Newtown, CT.
Mapa que muestra el modelo límites y red de red
para el Newtown, CT modelo de acuífero de deriva estratificada.
Técnicas de refracción sísmica, utilizadas durante mucho tiempo en la exploración de minerales y petróleo, pueden ser usados efectivamente en estudios de modelado de aguas subterráneas. Acuíferos subterráneos en Nueva Inglaterra tienen grandes contrastes de velocidad sísmica en los principales sistemas de límites hidrológicos; en consecuencia, esta técnica puede fácilmente definir la geometría del acuífero. Modelado de aguas subterráneas estudios en Connecticut y Maine han utilizado esta técnica y muestran que es un método valioso y económico de obteniendo datos de entrada para modelar, diseñando programas de perforación, y mejorar los resultados del modelado. Refracción sísmica las técnicas son, por lo tanto, una herramienta valiosa para el hidrólogo conducir estudios de modelado de aguas subterráneas en Nueva Inglaterra y otras áreas geológicamente similares.
[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row]